JP2020117568A - Anion exchange resin, electrolyte membrane, binder for forming electrode catalyst layer, cell electrode catalyst layer, and fuel cell - Google Patents

Anion exchange resin, electrolyte membrane, binder for forming electrode catalyst layer, cell electrode catalyst layer, and fuel cell Download PDF

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Abstract

To provide an anion exchange resin capable of manufacturing an electrolyte membrane excellent in electric characteristics and chemical characteristics, a binder for forming an electrode catalyst layer, and a cell electrode catalyst layer, the electrolyte membrane and the binder for forming the electrode catalyst layer which are formed from the anion exchange resin, the cell electrode catalyst layer formed from the binder for forming the electrode catalyst layer, and a fuel cell having the electrolyte membrane or the cell electrode catalyst layer.SOLUTION: For example, there is provided an anion exchange resin, in which a hydrophobic unit having a bisphenol AF residue being repeated via a carbon-carbon bond and a hydrophilic unit having a hydrophilic group bonded to an anion exchange group via a divalent saturated hydrocarbon group in a fluorene skeleton being repeated via a carbon-carbon bond are bonded via a carbon-carbon bond.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は陰イオン交換樹脂、電解質膜、電極触媒層形成用バインダー、電池電極触媒層および燃料電池に関する。 The present invention relates to an anion exchange resin, an electrolyte membrane, a binder for forming an electrode catalyst layer, a battery electrode catalyst layer and a fuel cell.

単数の芳香環からなる、または、2価の炭化水素基、2価のケイ素含有基、2価の窒素含有基、2価のリン含有基、2価の酸素含有基、2価の硫黄含有基、もしくは炭素−炭素結合を介して互いに結合する複数の芳香環からなる2価の疎水性基と、単数の芳香環からなる、または、2価の炭化水素基、2価のケイ素含有基、2価の窒素含有基、2価のリン含有基、2価の酸素含有基、2価の硫黄含有基、もしくは炭素−炭素結合を介して互いに結合する複数の芳香環からなり、前記芳香環のうち少なくとも1つが陰イオン交換基を有する2価の親水性基と、所定の構造を有する2価のフッ素含有基とからなり、前記疎水性基が、エーテル結合、チオエーテル結合、または炭素−炭素結合を介して繰り返される疎水ユニットと、前記親水性基が、エーテル結合、チオエーテル結合、または炭素−炭素結合を介して繰り返される親水ユニットとを有し、前記疎水ユニットと前記親水ユニットとが、エーテル結合、チオエーテル結合、または炭素−炭素結合を介して結合しており、かつ前記2価のフッ素含有基が、前記疎水ユニットおよび/または前記親水ユニットの主鎖中に、エーテル結合、チオエーテル結合、炭素−ケイ素結合、または炭素−炭素結合を介して結合している陰イオン交換樹脂が知られている(特許文献1)。 Monovalent aromatic ring or divalent hydrocarbon group, divalent silicon-containing group, divalent nitrogen-containing group, divalent phosphorus-containing group, divalent oxygen-containing group, divalent sulfur-containing group , Or a divalent hydrophobic group composed of a plurality of aromatic rings bonded to each other via a carbon-carbon bond and a single aromatic ring, or a divalent hydrocarbon group, a divalent silicon-containing group, 2 A divalent nitrogen-containing group, a divalent phosphorus-containing group, a divalent oxygen-containing group, a divalent sulfur-containing group, or a plurality of aromatic rings bonded to each other via a carbon-carbon bond, and among the aromatic rings At least one is composed of a divalent hydrophilic group having an anion exchange group and a divalent fluorine-containing group having a predetermined structure, and the hydrophobic group has an ether bond, a thioether bond, or a carbon-carbon bond. Hydrophobic unit repeated through, the hydrophilic group has an ether bond, a thioether bond, or a hydrophilic unit repeated through a carbon-carbon bond, the hydrophobic unit and the hydrophilic unit, an ether bond, An ether bond, a thioether bond, or a carbon-silicon bond, which is bonded via a thioether bond or a carbon-carbon bond, and in which the divalent fluorine-containing group is present in the main chain of the hydrophobic unit and/or the hydrophilic unit. Anion exchange resins that are bonded via a bond or a carbon-carbon bond are known (Patent Document 1).

特開2016−44224号公報JP, 2016-44224, A

特許文献1に記載された陰イオン交換樹脂は、高い化学的特性(耐久性、特に耐アルカリ性)を保持したまま、電気的特性(陰イオン導電性)を向上させることに成功しているが、さらなる電気的特性の向上が望まれている。 The anion exchange resin described in Patent Document 1 has succeeded in improving electrical characteristics (anion conductivity) while maintaining high chemical characteristics (durability, particularly alkali resistance). Further improvement in electrical characteristics is desired.

本発明は、電気的特性および化学的特性に優れる電解質膜、電極触媒層形成用バインダーおよび電池電極触媒層を製造できる陰イオン交換樹脂、その陰イオン交換樹脂から形成される電解質膜および電極触媒層形成用バインダー、その電極触媒層形成用バインダーから形成される電池電極触媒層、ならびにその電解質膜または電池電極触媒層を備える燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention provides an electrolyte membrane having excellent electrical and chemical properties, an anion exchange resin capable of producing a binder for an electrode catalyst layer and a battery electrode catalyst layer, and an electrolyte membrane and an electrode catalyst layer formed from the anion exchange resin. An object of the present invention is to provide a fuel cell comprising a forming binder, a battery electrode catalyst layer formed from the electrode catalyst layer forming binder, and an electrolyte membrane or a battery electrode catalyst layer thereof.

前記課題を解決するために、本発明の陰イオン交換樹脂は、
下記式(1)で表される2価の疎水性基と、
単数の芳香環からなる、または、2価の炭化水素基、2価のケイ素含有基、2価の窒素含有基、2価のリン含有基、2価の酸素含有基、もしくは2価の硫黄含有基である連結基、および/または炭素−炭素結合を介して互いに結合する複数の芳香環からなり、前記連結基または前記芳香環のうち少なくとも1つが、陰イオン交換基含有基と結合した2価の親水性基と
からなり、
前記疎水性基単体からなる、または、前記疎水性基が、エーテル結合、チオエーテル結合、もしくは炭素−炭素結合を介して繰り返される疎水ユニットと、
前記親水性基単体からなる、または、前記親水性基が、エーテル結合、チオエーテル結合、もしくは炭素−炭素結合を介して繰り返される親水ユニットと
を有し、
前記疎水ユニットと前記親水ユニットとが、エーテル結合、チオエーテル結合、または炭素−炭素結合を介して結合している、
ことを特徴とする。
In order to solve the above problems, the anion exchange resin of the present invention,
A divalent hydrophobic group represented by the following formula (1),
Consisting of a single aromatic ring or a divalent hydrocarbon group, a divalent silicon-containing group, a divalent nitrogen-containing group, a divalent phosphorus-containing group, a divalent oxygen-containing group, or a divalent sulfur-containing group. A divalent group consisting of a linking group which is a group, and/or a plurality of aromatic rings bonded to each other via a carbon-carbon bond, wherein at least one of the linking group and the aromatic ring is bonded to an anion exchange group-containing group. Consisting of a hydrophilic group of
A hydrophobic unit consisting of the hydrophobic group alone, or the hydrophobic group is repeated through an ether bond, a thioether bond, or a carbon-carbon bond,
Consisting of the hydrophilic group alone, or the hydrophilic group has a hydrophilic unit which is repeated via an ether bond, a thioether bond, or a carbon-carbon bond,
The hydrophobic unit and the hydrophilic unit are bonded via an ether bond, a thioether bond, or a carbon-carbon bond,
It is characterized by

Figure 2020117568
(式中、Xは、互いに同一または相異なって、ハロゲン原子、擬ハロゲン化物、または水素原子を示し、Yは、互いに同一または相異なって、酸素含有基、硫黄含有基、または直接結合を示し、Zは、互いに同一または相異なって、炭素原子またはケイ素原子を示し、Rは、互いに同一または相異なって、芳香族基または直接結合を示し、h、h’、h’’、i、i’、およびi’’は、互いに同一または相異なって、0以上の整数を示し、h’’’およびi’’’は、1以上の整数を示す。)
Figure 2020117568
(In the formula, X is the same or different from each other and represents a halogen atom, a pseudohalide, or a hydrogen atom, and Y is the same or different from each other and represents an oxygen-containing group, a sulfur-containing group, or a direct bond. , Z are the same or different from each other and represent a carbon atom or a silicon atom, R are the same or different from each other and represent an aromatic group or a direct bond, and h, h′, h″, i, i "And i" are the same or different from each other and represent an integer of 0 or more, and h'" and i'" represent an integer of 1 or more.)

本発明の陰イオン交換樹脂では、前記式(1)において、Xは、互いに同一または相異なって、ハロゲン原子または擬ハロゲン化物を示し、Rは、互いに同一または相異なって、芳香族基を示すことが好適である。 In the anion exchange resin of the present invention, in the above formula (1), Xs are the same or different from each other and represent a halogen atom or a pseudohalide, and Rs are the same or different from each other and represent an aromatic group. Is preferred.

本発明の陰イオン交換樹脂では、前記2価の疎水性基が、下記式(1a)で表されることがより好適である。 In the anion exchange resin of the present invention, it is more preferable that the divalent hydrophobic group is represented by the following formula (1a).

Figure 2020117568
Figure 2020117568

本発明の陰イオン交換樹脂では、前記2価の親水性基が、単数の多環式化合物からなる、または、2価の炭化水素基、2価のケイ素含有基、2価の窒素含有基、2価のリン含有基、2価の酸素含有基、もしくは2価の硫黄含有基である連結基、および/または炭素−炭素結合を介して互いに結合する複数の多環式化合物からなり、前記連結基または前記多環式化合物のうち少なくとも1つが、炭素数2以上の2価の飽和炭化水素基を介して陰イオン交換基と結合していることが好適である。 In the anion exchange resin of the present invention, the divalent hydrophilic group is composed of a single polycyclic compound, or a divalent hydrocarbon group, a divalent silicon-containing group, a divalent nitrogen-containing group, A divalent phosphorus-containing group, a divalent oxygen-containing group, or a divalent sulfur-containing group, a linking group, and/or a plurality of polycyclic compounds bonded to each other via a carbon-carbon bond. It is preferable that at least one of the group and the polycyclic compound is bonded to the anion exchange group via a divalent saturated hydrocarbon group having 2 or more carbon atoms.

本発明の陰イオン交換樹脂では、前記2価の親水性基が、下記式(2)で表されるフルオレン残基であることがより好適である。 In the anion exchange resin of the present invention, it is more preferable that the divalent hydrophilic group is a fluorene residue represented by the following formula (2).

Figure 2020117568
(式中、Aは、互いに同一または相異なって、陰イオン交換基含有基を示すか、または陰イオン交換基を含有する環状構造を示す。)
Figure 2020117568
(In the formula, A's are the same as or different from each other and each represents an anion-exchange group-containing group, or a cyclic structure containing an anion-exchange group.)

前記課題を解決するために、本発明の電解質膜は、上記の陰イオン交換樹脂を含むことを特徴とする。 In order to solve the above problems, the electrolyte membrane of the present invention is characterized by containing the above anion exchange resin.

前記課題を解決するために、本発明の電極触媒層形成用バインダーは、上記の陰イオン交換樹脂を含むことを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the binder for forming an electrode catalyst layer of the present invention is characterized by containing the above anion exchange resin.

前記課題を解決するために、本発明の電池電極触媒層は、上記の電極触媒層形成用バインダーを含むことを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the battery electrode catalyst layer of the present invention is characterized by containing the above-mentioned binder for forming an electrode catalyst layer.

前記課題を解決するために、本発明の燃料電池は、
上記の陰イオン交換樹脂を含む電解質膜と、
前記電解質膜を挟んで対向配置され、含水素燃料が供給される燃料側電極、および、酸素または空気が供給される酸素側電極と、を備えた、
ことを特徴とする。
In order to solve the above problems, the fuel cell of the present invention comprises:
An electrolyte membrane containing the above anion exchange resin,
A fuel-side electrode, which is arranged opposite to each other with the electrolyte membrane sandwiched therebetween, to which a hydrogen-containing fuel is supplied, and an oxygen-side electrode to which oxygen or air is supplied,
It is characterized by

本発明の燃料電池では、前記含水素燃料が、水素、アルコール、またはヒドラジン類であることが好適である。 In the fuel cell of the present invention, it is preferable that the hydrogen-containing fuel is hydrogen, alcohol, or hydrazines.

前記課題を解決するために、本発明の燃料電池は、
電解質膜と、
前記電解質膜を挟んで対向配置され、含水素燃料が供給される燃料側電極、および、酸素または空気が供給される酸素側電極と
を備え、
前記燃料側電極および/または前記酸素側電極が、上記の電池電極触媒層を含む、
ことを特徴とする。
In order to solve the above problems, the fuel cell of the present invention comprises:
An electrolyte membrane,
Oppositely arranged with the electrolyte membrane interposed therebetween, a fuel-side electrode to which a hydrogen-containing fuel is supplied, and an oxygen-side electrode to which oxygen or air is supplied,
The fuel-side electrode and/or the oxygen-side electrode includes the above-mentioned cell electrode catalyst layer,
It is characterized by

本発明の燃料電池では、前記含水素燃料が、水素、アルコール、またはヒドラジン類であることが好適である。 In the fuel cell of the present invention, it is preferable that the hydrogen-containing fuel is hydrogen, alcohol, or hydrazines.

本発明によれば、電気的特性および化学的特性に優れる電解質膜、電極触媒層形成用バインダーおよび電池電極触媒層を製造できる陰イオン交換樹脂、その陰イオン交換樹脂から形成される電解質膜および電極触媒層形成用バインダー、その電極触媒層形成用バインダーから形成される電池電極触媒層、ならびにその電解質膜または電池電極触媒層を備える燃料電池を提供できる。 According to the present invention, an electrolyte membrane having excellent electrical and chemical properties, a binder for forming an electrode catalyst layer, and an anion exchange resin capable of producing a battery electrode catalyst layer, an electrolyte membrane and an electrode formed from the anion exchange resin. A fuel cell including a binder for forming a catalyst layer, a battery electrode catalyst layer formed from the binder for forming an electrode catalyst layer, and an electrolyte membrane or a battery electrode catalyst layer can be provided.

本発明の燃料電池の一実施形態を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows one Embodiment of the fuel cell of this invention. 実施例および比較例で得られたサンプルの含水数に対する水酸化物イオン導電率の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the hydroxide ion electric conductivity with respect to the water content of the sample obtained in the Example and the comparative example.

本発明の陰イオン交換樹脂は、2価の疎水性基と、2価の親水性基とからなる。 The anion exchange resin of the present invention comprises a divalent hydrophobic group and a divalent hydrophilic group.

本発明の陰イオン交換樹脂において、2価の疎水性基は、下記式(1)で表される構造を有する。 In the anion exchange resin of the present invention, the divalent hydrophobic group has a structure represented by the following formula (1).

Figure 2020117568
(式中、Xは、互いに同一または相異なって、ハロゲン原子、擬ハロゲン化物、または水素原子を示し、Yは、互いに同一または相異なって、酸素含有基、硫黄含有基、または直接結合を示し、Zは、互いに同一または相異なって、炭素原子またはケイ素原子を示し、Rは、互いに同一または相異なって、芳香族基または直接結合を示し、h、h’、h’’、i、i’、およびi’’は、互いに同一または相異なって、0以上の整数を示し、h’’’およびi’’’は、1以上の整数を示す。)
Figure 2020117568
(In the formula, X is the same or different from each other and represents a halogen atom, a pseudohalide, or a hydrogen atom, and Y is the same or different from each other and represents an oxygen-containing group, a sulfur-containing group, or a direct bond. , Z are the same or different from each other and represent a carbon atom or a silicon atom, R are the same or different from each other and represent an aromatic group or a direct bond, and h, h′, h″, i, i "And i" are the same or different from each other and represent an integer of 0 or more, and h'" and i'" represent an integer of 1 or more.)

上記式(1)において、Zは、互いに同一または相異なって、炭素原子またはケイ素原子を示し、好ましくは炭素原子を示す。 In the above formula (1), Zs are the same or different and each represents a carbon atom or a silicon atom, preferably a carbon atom.

上記式(1)において、Yは、互いに同一または相異なって、酸素含有基、硫黄含有基、または直接結合を示し、好ましくは直接結合を示す。 In the above formula (1), Y are the same or different from each other and represent an oxygen-containing group, a sulfur-containing group, or a direct bond, preferably a direct bond.

上記式(1)において、Xは、互いに同一または相異なって、ハロゲン原子、擬ハロゲン化物、または水素原子を示し、好ましくはハロゲン原子または水素原子を示し、より好ましくはフッ素原子を示す。ハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子が挙げられる。擬ハロゲン化物としては、トリフルオロメチル基、−CN、−NC、−OCN、−NCO、−ONC、−SCN、−NCS、−SeCN、−NCSe、−TeCN、−NCTe、−Nが挙げられる。 In the above formula (1), Xs are the same or different and each represents a halogen atom, a pseudohalide, or a hydrogen atom, preferably a halogen atom or a hydrogen atom, and more preferably a fluorine atom. Examples of the halogen atom include a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom and an iodine atom. The pseudohalide, trifluoromethyl, -CN, -NC, -OCN, -NCO , -ONC, -SCN, -NCS, -SeCN, -NCSe, -TeCN, -NCTe, is -N 3 like ..

上記式(1)において、Rは、互いに同一または相異なって、芳香族基または直接結合を示し、好ましくは芳香族基を示す。芳香族基としては、芳香環における2価の残基が挙げられる。芳香環としては、例えば、ベンゼン環、ナフタレン環、インデン環、アズレン環、フルオレン環、アントラセン環、フェナントレン環などの、炭素数6〜14の単環または多環式化合物、および、アゾール、オキソール、チオフェン、オキサゾール、チアゾール、ピリジンなどの、複素環式化合物が挙げられる。芳香環として、好ましくは、炭素数6〜14の単環芳香族炭化水素が挙げられ、より好ましくは、ベンゼン環が挙げられる。 In the above formula (1), Rs are the same or different from each other and represent an aromatic group or a direct bond, preferably an aromatic group. Examples of the aromatic group include divalent residues in the aromatic ring. Examples of the aromatic ring include a benzene ring, a naphthalene ring, an indene ring, an azulene ring, a fluorene ring, an anthracene ring, a phenanthrene ring, and the like, a monocyclic or polycyclic compound having 6 to 14 carbon atoms, and an azole, oxole, Heterocyclic compounds such as thiophene, oxazole, thiazole, pyridine and the like can be mentioned. The aromatic ring is preferably a monocyclic aromatic hydrocarbon having 6 to 14 carbon atoms, and more preferably a benzene ring.

芳香環は、必要により、ハロゲン原子、アルキル基、アリール基、擬ハロゲン化物などの置換基に置換されていてもよい。ハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子が挙げられる。擬ハロゲン化物としては、トリフルオロメチル基、−CN、−NC、−OCN、−NCO、−ONC、−SCN、−NCS、−SeCN、−NCSe、−TeCN、−NCTe、−Nが挙げられる。アルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、i−プロピル基、ブチル基、i−ブチル基、sec−ブチル基、t−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基等の炭素数1〜20のアルキル基;シクロプロピル基、シクロブチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロヘプチル基、シクロオクチル基等の炭素数1〜20のシクロアルキル基が挙げられる。アリール基としては、例えば、フェニル基、ビフェニル基、ナフチル基、フルオレニル基が挙げられる。 The aromatic ring may be optionally substituted with a substituent such as a halogen atom, an alkyl group, an aryl group or a pseudohalide. Examples of the halogen atom include a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom and an iodine atom. The pseudohalide, trifluoromethyl, -CN, -NC, -OCN, -NCO , -ONC, -SCN, -NCS, -SeCN, -NCSe, -TeCN, -NCTe, is -N 3 like .. Examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, an i-propyl group, a butyl group, an i-butyl group, a sec-butyl group, a t-butyl group, a pentyl group, a hexyl group, a heptyl group and an octyl group. And other alkyl groups having 1 to 20 carbon atoms; cyclopropyl groups, cyclobutyl groups, cyclopentyl groups, cyclohexyl groups, cycloheptyl groups, cyclooctyl groups and other cycloalkyl groups having 1 to 20 carbon atoms. Examples of the aryl group include a phenyl group, a biphenyl group, a naphthyl group, and a fluorenyl group.

上記式(1)において、h、h’、h’’、i、i’、およびi’’は、互いに同一または相異なって、0以上の整数を示し、好ましくは0〜20の整数を示し、より好ましくは0〜3の整数を示し、さらに好ましくは0または1を示す。 In the above formula (1), h, h′, h″, i, i′, and i″ are the same or different from each other and represent an integer of 0 or more, preferably an integer of 0 to 20. , More preferably an integer of 0 to 3, and even more preferably 0 or 1.

上記式(1)において、h’’’およびi’’’は、互いに同一または相異なって、1以上の整数を示し、好ましくは1〜20の整数を示し、より好ましくは1〜3の整数を示し、さらに好ましくは1を示す。 In the formula (1), h′″ and i′″ are the same or different from each other and represent an integer of 1 or more, preferably an integer of 1 to 20, more preferably an integer of 1 to 3. And more preferably 1.

式(1)で表される構造を有する2価の疎水性基として、例えば、下記式で表される構造を有するものが挙げられる。 Examples of the divalent hydrophobic group having the structure represented by the formula (1) include those having the structure represented by the following formula.

Figure 2020117568
Figure 2020117568

本発明の陰イオン交換樹脂において、式(1)において、Xは、互いに同一または相異なって、ハロゲン原子または擬ハロゲン化物を示し、Rは、互いに同一または相異なって、芳香族基を示すことが好適である。とりわけ好ましくは、そのような構造を有する2価の疎水性基として、例えば、下記式(1a)で表される構造を有するもの(ビスフェノールAF残基)が挙げられる。 In the anion exchange resin of the present invention, in the formula (1), Xs are the same or different from each other and represent a halogen atom or a pseudohalide, and Rs are the same or different from each other and represent an aromatic group. Is preferred. Particularly preferably, examples of the divalent hydrophobic group having such a structure include those having a structure represented by the following formula (1a) (bisphenol AF residue).

Figure 2020117568
Figure 2020117568

本発明の陰イオン交換樹脂において、2価の親水性基は、単数の芳香環からなる、または、2価の炭化水素基、2価のケイ素含有基、2価の窒素含有基、2価のリン含有基、2価の酸素含有基、もしくは2価の硫黄含有基である連結基、および/または炭素−炭素結合を介して互いに結合する複数(2つ以上、好ましくは、2つ)の芳香環からなり、前記連結基または前記芳香環のうち少なくとも1つが、陰イオン交換基含有基と結合している。 In the anion exchange resin of the present invention, the divalent hydrophilic group is composed of a single aromatic ring, or is a divalent hydrocarbon group, a divalent silicon-containing group, a divalent nitrogen-containing group or a divalent divalent group. A plurality of (two or more, preferably two) aromas that are bonded to each other via a phosphorus-containing group, a divalent oxygen-containing group, or a linking group that is a divalent sulfur-containing group, and/or a carbon-carbon bond. A ring, and at least one of the linking group and the aromatic ring is bonded to the anion-exchange group-containing group.

芳香環としては、例えば、ベンゼン環、ナフタレン環、インデン環、アズレン環、フルオレン環、アントラセン環、フェナントレン環などの、炭素数6〜14の単環または多環式化合物、および、アゾール、オキソール、チオフェン、オキサゾール、チアゾール、ピリジンなどの、複素環式化合物が挙げられる。 Examples of the aromatic ring include a benzene ring, a naphthalene ring, an indene ring, an azulene ring, a fluorene ring, an anthracene ring, a phenanthrene ring, and the like, a monocyclic or polycyclic compound having 6 to 14 carbon atoms, and an azole, oxole, Heterocyclic compounds such as thiophene, oxazole, thiazole, pyridine and the like can be mentioned.

芳香環として、好ましくは、炭素数6〜14の単環芳香族炭化水素が挙げられ、より好ましくは、ベンゼン環が挙げられる。 The aromatic ring is preferably a monocyclic aromatic hydrocarbon having 6 to 14 carbon atoms, and more preferably a benzene ring.

また、芳香環は、必要により、ハロゲン原子、アルキル基、アリール基、擬ハロゲン化物などの置換基に置換されていてもよい。ハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子が挙げられる。擬ハロゲン化物としては、トリフルオロメチル基、−CN、−NC、−OCN、−NCO、−ONC、−SCN、−NCS、−SeCN、−NCSe、−TeCN、−NCTe、−Nが挙げられる。アルキル基としては、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、i−プロピル基、ブチル基、i−ブチル基、sec−ブチル基、t−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基等の炭素数1〜20のアルキル基;シクロプロピル基、シクロブチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロヘプチル基、シクロオクチル基等の炭素数1〜20のシクロアルキル基が挙げられる。アリール基としては、例えば、フェニル基、ビフェニル基、ナフチル基、フルオレニル基が挙げられる。 In addition, the aromatic ring may be optionally substituted with a substituent such as a halogen atom, an alkyl group, an aryl group or a pseudohalide. Examples of the halogen atom include a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom and an iodine atom. The pseudohalide, trifluoromethyl, -CN, -NC, -OCN, -NCO , -ONC, -SCN, -NCS, -SeCN, -NCSe, -TeCN, -NCTe, is -N 3 like .. Examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, an i-propyl group, a butyl group, an i-butyl group, a sec-butyl group, a t-butyl group, a pentyl group, a hexyl group, a heptyl group and an octyl group. And other alkyl groups having 1 to 20 carbon atoms; cyclopropyl groups, cyclobutyl groups, cyclopentyl groups, cyclohexyl groups, cycloheptyl groups, cyclooctyl groups and other cycloalkyl groups having 1 to 20 carbon atoms. Examples of the aryl group include a phenyl group, a biphenyl group, a naphthyl group, and a fluorenyl group.

なお、芳香環がハロゲン原子、アルキル基、アリール基、擬ハロゲン化物などの置換基に置換される場合において、ハロゲン原子、アルキル基、アリール基、擬ハロゲン化物などの置換基の置換数および置換位置は、目的および用途に応じて、適宜設定される。 When the aromatic ring is substituted with a substituent such as a halogen atom, an alkyl group, an aryl group or a pseudohalide, the number of substituents and the substitution position of the substituent such as a halogen atom, an alkyl group, an aryl group or a pseudohalide. Is appropriately set according to the purpose and use.

ハロゲン原子に置換された芳香環として、より具体的には、例えば、1〜4つのハロゲン原子で置換されたベンゼン環(例えば、1〜4つのフッ素で置換されたベンゼン環、1〜4つの塩素で置換されたベンゼン環、1〜4つの臭素で置換されたベンゼン環、1〜4つのヨウ素で置換されたベンゼン環など、1〜4のハロゲン原子は、全て同一であっても、相異なっていてもよい)などが挙げられる。 As the aromatic ring substituted with a halogen atom, more specifically, for example, a benzene ring substituted with 1 to 4 halogen atoms (for example, a benzene ring substituted with 1 to 4 fluorines, 1 to 4 chlorines). 1 to 4 halogen atoms, such as a benzene ring substituted with, a benzene ring substituted with 1 to 4 bromine, a benzene ring substituted with 1 to 4 iodine, etc., are the same or different. May be used).

2価の炭化水素基としては、例えば、メチレン(−CH−)、エチレン、プロピレン、i−プロピレン(−C(CH−)、ブチレン、i−ブチレン、sec−ブチレン、ペンチレン(ペンテン)、i−ペンチレン、sec−ペンチレン、ヘキシレン(ヘキサメチレン)、3−メチルペンテン、ヘプチレン、オクチレン、2−エチルヘキシレン、ノニレン、デシレン、i−デシレン、ドデシレン、テトラデシレン、ヘキサデシレン、オクタデシレンなどの、炭素数1〜20の2価の飽和炭化水素基が挙げられる。 Examples of the divalent hydrocarbon group include methylene (—CH 2 —), ethylene, propylene, i-propylene (—C(CH 3 ) 2 —), butylene, i-butylene, sec-butylene, pentylene (pentene). ), i-pentylene, sec-pentylene, hexylene (hexamethylene), 3-methylpentene, heptylene, octylene, 2-ethylhexylene, nonylene, decylene, i-decylene, dodecylene, tetradecylene, hexadecylene, octadecylene and the like carbon. The divalent saturated hydrocarbon group of several 1-20 is mentioned.

2価の炭化水素基として、好ましくは、炭素数1〜3の2価の飽和炭化水素基、具体的には、メチレン(−CH−)、エチレン、プロピレン、i−プロピレン(−C(CH−)が挙げられ、より好ましくは、メチレン(−CH−)、イソプロピレン(−C(CH−)が挙げられ、とりわけ好ましくは、i−プロピレン(−C(CH−)が挙げられる。 Divalent hydrocarbon group, preferably a divalent saturated hydrocarbon group having 1 to 3 carbon atoms, specifically, methylene (-CH 2 -), ethylene, propylene, i- propylene (-C (CH 3) 2 -) and the like, more preferably methylene (-CH 2 -), isopropylene (-C (CH 3) 2 -) and the like, especially preferably, i- propylene (-C (CH 3 ) 2- ).

2価の炭化水素基は、前記した芳香環における、1価の残基で置換されていても良い。 The divalent hydrocarbon group may be substituted with a monovalent residue in the aromatic ring described above.

本発明の陰イオン交換樹脂において、好ましくは、2価の親水性基は、単数の多環式化合物からなる、または、2価の炭化水素基、2価のケイ素含有基、2価の窒素含有基、2価のリン含有基、2価の酸素含有基、もしくは2価の硫黄含有基である連結基、および/または炭素−炭素結合を介して互いに結合する複数(2つ以上、好ましくは、2つ)の多環式化合物からなり、前記連結基または前記多環式化合物のうち少なくとも1つが、炭素数2以上の2価の飽和炭化水素基を介して陰イオン交換基と結合している。 In the anion exchange resin of the present invention, preferably, the divalent hydrophilic group is composed of a single polycyclic compound, or is a divalent hydrocarbon group, a divalent silicon-containing group, or a divalent nitrogen-containing group. Group, a divalent phosphorus-containing group, a divalent oxygen-containing group, or a linking group that is a divalent sulfur-containing group, and/or a plurality (two or more, preferably, bound to each other via a carbon-carbon bond. 2) polycyclic compound, and at least one of the linking group or the polycyclic compound is bonded to an anion exchange group via a divalent saturated hydrocarbon group having 2 or more carbon atoms. ..

多環式化合物としては、例えば、ナフタレン環、インデン環、アズレン環、フルオレン環、アントラセン環、フェナントレン環、カルバゾール環、インドール環が挙げられ、好ましくは、フルオレン環が挙げられる。 Examples of the polycyclic compound include a naphthalene ring, an indene ring, an azulene ring, a fluorene ring, an anthracene ring, a phenanthrene ring, a carbazole ring, and an indole ring, and a fluorene ring is preferable.

2価の炭化水素基としては、上記した2価の炭化水素基が挙げられる。 Examples of the divalent hydrocarbon group include the divalent hydrocarbon groups described above.

陰イオン交換基含有基は、陰イオン交換基のみでもよく、2価の飽和炭化水素基を介して結合される陰イオン交換基でもよい。 The anion-exchange group-containing group may be only an anion-exchange group or an anion-exchange group bonded via a divalent saturated hydrocarbon group.

陰イオン交換基含有基は、2価の親水性残基の連結基または芳香環の少なくとも1つに結合されていればよく、複数の連結基または芳香環に結合されていてもよく、全ての連結基または芳香環に結合されていてもよい。また、陰イオン交換基は、1つの連結基または芳香環に複数個結合されていてもよい。 The anion exchange group-containing group may be bonded to at least one of the linking group or aromatic ring of the divalent hydrophilic residue, may be bonded to a plurality of linking groups or aromatic rings, and It may be bonded to a linking group or an aromatic ring. Further, a plurality of anion exchange groups may be bonded to one linking group or aromatic ring.

陰イオン交換基は、親水性基において側鎖に導入され、具体的には、特に制限されず、四級アンモニウム基、三級アミノ基、二級アミノ基、一級アミノ基、ホスフィン、ホスファゼン、三級スルホニウム基、四級ボロニウム基、四級ホスホニウム基、グアニジウム基など、公知の陰イオン交換基をいずれも採用することができる。陰イオン伝導性の観点から、好ましくは、四級アンモニウム基が挙げられる。 The anion exchange group is introduced into the side chain at a hydrophilic group, and is not particularly limited, and it is not particularly limited, and it is a quaternary ammonium group, a tertiary amino group, a secondary amino group, a primary amino group, a phosphine, a phosphazene, and Any known anion exchange group such as a quaternary sulfonium group, a quaternary boronium group, a quaternary phosphonium group, and a guanidinium group can be adopted. From the viewpoint of anion conductivity, a quaternary ammonium group is preferable.

陰イオン交換基として、好ましくは、−N(CHが挙げられるが、その他にも、以下の構造を有するものが挙げられる。なお、以下の構造式において、*は置換基を含む芳香環に結合する部分を示す。 As the anion exchange group, preferably -N + (CH 3 ) 3 can be mentioned, but in addition, those having the following structures can be mentioned. In the structural formulas below, * represents a portion bonded to an aromatic ring containing a substituent.

Figure 2020117568
(図中、Alk、Alk’、Alk’’は、上記したアルキル基を示し、iPrはi−プロピル基を示す。)
Figure 2020117568
(In the figure, Alk, Alk′, and Alk″ represent the above-mentioned alkyl groups, and iPr represents an i-propyl group.)

2価の親水性残基の連結基または芳香環と、陰イオン交換基とを結合させる2価の飽和炭化水素基の炭素数は、好ましくは、2以上である。2価の飽和炭化水素基の炭素数は、より好ましくは、2〜20の整数であり、さらに好ましくは、3〜10の整数であり、特に好ましくは、4〜8の整数である。 The number of carbon atoms of the divalent saturated hydrocarbon group that binds the linking group or aromatic ring of the divalent hydrophilic residue and the anion exchange group is preferably 2 or more. The number of carbon atoms of the divalent saturated hydrocarbon group is more preferably an integer of 2 to 20, still more preferably an integer of 3 to 10, and particularly preferably an integer of 4 to 8.

2価の飽和炭化水素基としては、好ましくは、メチレン(−(CH)−)、エチレン(−(CH−)、トリメチレン(−(CH−)、テトラメチレン(−(CH−)、ペンタメチレン(−(CH−)、ヘキサメチレン(−(CH−)、ヘプタメチレン(−(CH−)、オクタメチレン(−(CH−)等の直鎖状飽和炭化水素基を挙げることができる。 Examples of the divalent saturated hydrocarbon group, preferably methylene (- (CH 2) -), ethylene (- (CH 2) 2 -), trimethylene (- (CH 2) 3 -), tetramethylene (- ( CH 2) 4 -), pentamethylene (- (CH 2) 5 - ), hexamethylene (- (CH 2) 6 - ), heptamethylene (- (CH 2) 7 - ), octamethylene (- (CH 2 ) 8- ) and other linear saturated hydrocarbon groups.

好ましくは、そのような構造を有する2価の親水性基として、下記式で表される構造を有するものが挙げられる。 Preferred examples of the divalent hydrophilic group having such a structure include those having a structure represented by the following formula.

Figure 2020117568
Figure 2020117568
Figure 2020117568
(式中、Ionは、互いに同一または相異なって、陰イオン交換基含有基を示し、aは、0以上であって陰イオン交換基含有基が結合可能な数の整数(好ましくは、0または1)を示し、nは0以上の整数を示す。)
Figure 2020117568
Figure 2020117568
Figure 2020117568
(In the formula, Ion are the same or different from each other and represent an anion exchange group-containing group, and a is 0 or more and an integer of the number capable of binding to the anion exchange group-containing group (preferably 0 or 1) and n represents an integer of 0 or more.)

また、好ましくは、そのような構造を有する2価の親水性基として、下記式(2)で表されるフルオレン残基が挙げられる。 Further, preferably, the divalent hydrophilic group having such a structure includes a fluorene residue represented by the following formula (2).

Figure 2020117568
(式中、Aは、互いに同一または相異なって、陰イオン交換基含有基を示すか、または陰イオン交換基を含有する環状構造を示す。)
Figure 2020117568
(In the formula, A's are the same as or different from each other and each represents an anion-exchange group-containing group, or a cyclic structure containing an anion-exchange group.)

とりわけ好ましくは、そのような構造を有する2価の親水性基として、下記式(2a)、下記式(2b)、下記式(2c)、または下記式(2d)で表されるものが挙げられる。 Particularly preferably, examples of the divalent hydrophilic group having such a structure include those represented by the following formula (2a), the following formula (2b), the following formula (2c), or the following formula (2d). ..

Figure 2020117568
Figure 2020117568

本発明の陰イオン交換樹脂では、上記した疎水性基からなる、または、上記した疎水性基が、エーテル結合、チオエーテル結合、もしくは炭素−炭素結合を介して繰り返される疎水ユニットと、上記した親水性基単体からなる、または、上記した親水性基が、エーテル結合、チオエーテル結合、または炭素−炭素結合を介して繰り返される親水ユニットとを有している。疎水ユニットは、疎水性基単体からなる、または疎水性基が炭素−炭素結合を介して繰り返されていることが好ましく、また親水ユニットは、親水性基単体からなる、または親水性基が炭素−炭素結合を介して繰り返されて形成されていることが好ましい。 In the anion exchange resin of the present invention, the above-mentioned hydrophobic group, or the above-mentioned hydrophobic group, a hydrophobic unit repeated via an ether bond, a thioether bond, or a carbon-carbon bond, and the above-mentioned hydrophilic group. The hydrophilic group is composed of a single group or has the hydrophilic unit which is repeated through an ether bond, a thioether bond, or a carbon-carbon bond. The hydrophobic unit is preferably composed of a hydrophobic group alone, or the hydrophobic group is preferably repeated via a carbon-carbon bond, and the hydrophilic unit is composed of a hydrophilic group alone or a hydrophilic group is composed of a carbon-carbon bond. It is preferably formed repeatedly through a carbon bond.

なお、ユニットとは一般に用いられるブロック共重合体のブロックに相当する。 The unit corresponds to a block of a block copolymer that is generally used.

疎水ユニットとして、好ましくは、上記式(1)で表される2価の疎水性基が、炭素−炭素結合を介して互いに結合して形成されるユニットが挙げられる。上記式(1)で表される2価の疎水性基の複数種が、ランダム状、交互などの規則状、またはブロック状で互いに結合して形成されるユニットでもよい。 The hydrophobic unit is preferably a unit formed by binding divalent hydrophobic groups represented by the above formula (1) to each other via a carbon-carbon bond. It may be a unit formed by bonding a plurality of divalent hydrophobic groups represented by the above formula (1) to each other in a random form, a regular form such as alternating, or a block form.

このような疎水ユニットは、例えば、下記式(3)で示される。 Such a hydrophobic unit is represented by the following formula (3), for example.

Figure 2020117568
(式中、X、Y、Z、h、h’、h’’、h’’’、i、i’、i’’、およびi’’’は、上記式(1)のX、Y、Z、h、h’、h’’、h’’’、i、i’、i’’、およびi’’’と同異議を示し、qは、1〜200を示す。)
Figure 2020117568
(In the formula, X, Y, Z, h, h′, h″, h′″, i, i′, i″, and i′″ are X, Y, and Z, h, h′, h″, h′″, i, i′, i″, and i′″ have the same objection, and q represents 1 to 200.)

上記式(3)において、qは、例えば、1〜200、好ましくは、1〜50を示す。 In the above formula (3), q represents, for example, 1 to 200, preferably 1 to 50.

このような疎水ユニットとして、さらに好ましくは、上記式(1a)で表される2価の疎水性基が、炭素−炭素結合を介して互いに結合して形成されるユニットが挙げられる。 Such a hydrophobic unit is more preferably a unit formed by binding divalent hydrophobic groups represented by the above formula (1a) to each other via a carbon-carbon bond.

このような疎水ユニットは、とりわけ好ましくは、下記式(3a)で示される。 Such a hydrophobic unit is particularly preferably represented by the following formula (3a).

Figure 2020117568
(式中、qは、1〜200を示す。)
Figure 2020117568
(In the formula, q represents 1 to 200.)

上記式(3a)において、qは、例えば、1〜200、好ましくは、1〜50を示す。 In the above formula (3a), q represents, for example, 1 to 200, preferably 1 to 50.

親水ユニットとして、好ましくは、単数の芳香環からなる、または、2価の炭化水素基、2価のケイ素含有基、2価の窒素含有基、2価のリン含有基、2価の酸素含有基、もしくは2価の硫黄含有基である連結基、および/または炭素−炭素結合を介して互いに結合する複数の芳香環からなり、前記連結基または前記芳香環のうち少なくとも1つが、陰イオン交換基含有基と結合した2価の親水性基が、炭素−炭素結合を介して互いに結合して形成されるユニットが挙げられる。親水ユニットとして、より好ましくは、単数の多環式化合物からなる、または、2価の炭化水素基、2価のケイ素含有基、2価の窒素含有基、2価のリン含有基、2価の酸素含有基、もしくは2価の硫黄含有基である連結基、および/または炭素−炭素結合を介して互いに結合する複数の多環式化合物からなり、前記連結基または前記多環式化合物のうち少なくとも1つが、炭素数2以上の2価の飽和炭化水素基を介して陰イオン交換基と結合した2価の親水性基が、炭素−炭素結合を介して互いに結合して形成されるユニットが挙げられる。2価の親水性基の複数種が、ランダム状、交互などの規則状、またはブロック状で互いに結合して形成されるユニットでもよい。 The hydrophilic unit is preferably composed of a single aromatic ring, or is a divalent hydrocarbon group, a divalent silicon-containing group, a divalent nitrogen-containing group, a divalent phosphorus-containing group, a divalent oxygen-containing group. , Or a linking group which is a divalent sulfur-containing group, and/or a plurality of aromatic rings bonded to each other via a carbon-carbon bond, and at least one of the linking group or the aromatic ring is an anion exchange group. The unit formed by the bivalent hydrophilic group couple|bonded with the containing group mutually bonding via a carbon-carbon bond is mentioned. The hydrophilic unit is more preferably composed of a singular polycyclic compound, or is a divalent hydrocarbon group, a divalent silicon-containing group, a divalent nitrogen-containing group, a divalent phosphorus-containing group or a divalent phosphorus-containing group. An oxygen-containing group, or a linking group that is a divalent sulfur-containing group, and/or a plurality of polycyclic compounds bonded to each other via a carbon-carbon bond, and at least the linking group or the polycyclic compound. One is a unit formed by bonding divalent hydrophilic groups bonded to an anion exchange group via a divalent saturated hydrocarbon group having 2 or more carbon atoms to each other via a carbon-carbon bond. To be It may be a unit formed by bonding a plurality of divalent hydrophilic groups to each other in a random form, a regular form such as alternating, or a block form.

親水ユニットとして、とりわけ好ましくは、上記式(2)で表されるフルオレン残基が、炭素−炭素結合を介して互いに結合して形成されるユニットが挙げられる。 The hydrophilic unit is particularly preferably a unit formed by binding fluorene residues represented by the above formula (2) to each other via a carbon-carbon bond.

このような疎水ユニットは、例えば、下記式(4)で示される。 Such a hydrophobic unit is represented by the following formula (4), for example.

Figure 2020117568
(式中、Aは、上記式(2)のAと同意義を示し、mは、1〜200を示す。)
Figure 2020117568
(In the formula, A has the same meaning as A in the above formula (2), and m represents 1 to 200.)

上記式(4)において、mは、例えば、1〜200、好ましくは、1〜50を示す。 In the above formula (4), m represents, for example, 1 to 200, preferably 1 to 50.

このような親水ユニットとして、とりわけ好ましくは、下記式(4a)で示されるように、上記式(2a)で示される親水性基が炭素−炭素結合を介して互いに結合して形成されるユニット、下記式(4b)で示されるように、上記式(2b)で示される親水性基が炭素−炭素結合を介して互いに結合して形成されるユニット、下記式(4c)で示されるように、上記式(2c)で示される親水性基が炭素−炭素結合を介して互いに結合して形成されるユニット、および下記式(4d)で示されるように、上記式(2d)で示される親水性基が炭素−炭素結合を介して互いに結合して形成されるユニットが挙げられる。 As such a hydrophilic unit, particularly preferably, as shown by the following formula (4a), a unit formed by bonding hydrophilic groups represented by the above formula (2a) to each other through a carbon-carbon bond, As represented by the following formula (4b), a unit formed by the hydrophilic groups represented by the above formula (2b) being bonded to each other via a carbon-carbon bond, as represented by the following formula (4c), A unit formed by the hydrophilic groups represented by the above formula (2c) being bonded to each other via a carbon-carbon bond, and a hydrophilic group represented by the above formula (2d) as represented by the following formula (4d). Mention may be made of units formed by the groups being linked together via carbon-carbon bonds.

Figure 2020117568
(式中、mは、1〜200を示す。)
Figure 2020117568
(In the formula, m represents 1 to 200.)

上記式(4a)、上記式(4b)、上記式(4c)、および上記式(4d)において、mは、例えば、1〜200、好ましくは、1〜50を示す。 In the above formula (4a), the above formula (4b), the above formula (4c), and the above formula (4d), m represents, for example, 1 to 200, preferably 1 to 50.

本発明の陰イオン交換樹脂では、上記した疎水ユニットと上記した親水ユニットとが、エーテル結合、チオエーテル結合、または炭素−炭素結合を介して結合している。特に、上記した疎水ユニットと上記した親水ユニットとが、炭素−炭素結合を介して結合していることが好ましい。 In the anion exchange resin of the present invention, the above-mentioned hydrophobic unit and the above-mentioned hydrophilic unit are bonded via an ether bond, a thioether bond, or a carbon-carbon bond. In particular, it is preferable that the above-mentioned hydrophobic unit and the above-mentioned hydrophilic unit are bound via a carbon-carbon bond.

このような陰イオン交換樹脂として、好ましくは、下記式(5)で示されるように、上記式(3)で示される疎水ユニットと、上記式(4)で示される親水ユニットとが炭素−炭素結合を介して結合された陰イオン交換樹脂が挙げられる。 As such an anion exchange resin, preferably, as shown by the following formula (5), the hydrophobic unit represented by the above formula (3) and the hydrophilic unit represented by the above formula (4) are carbon-carbon. Anion exchange resins linked via bonds are mentioned.

Figure 2020117568
(式中、X、Y、Z、h、h’、h’’、h’’’、i、i’、i’’、i’’’、およびqは、上記式(3)のX、Y、Z、h、h’、h’’、h’’’、i、i’、i’’、i’’’、およびqと同異議を示し、Aは、上記式(4)のAと同意義を示し、qおよびmは配合比あるいは繰り返し数を表し、1〜100を示し、oは、繰り返し数を表し、1〜100を示す。)
Figure 2020117568
(In the formula, X, Y, Z, h, h′, h″, h′″, i, i′, i″, i′″, and q are X in the formula (3), Y, Z, h, h′, h″, h′″, i, i′, i″, i′″, and q are the same objections, and A is A in the above formula (4). And q and m represent the compounding ratio or the number of repetitions and represent 1 to 100, and o represents the number of repetitions and represent 1 to 100).

このような陰イオン交換樹脂として、さらに好ましくは、下記式(6)で示されるように、上記式(3a)で示される疎水ユニットと、上記式(4)で示される親水ユニットとが炭素−炭素結合を介して結合された陰イオン交換樹脂が挙げられる。 As such an anion exchange resin, more preferably, as shown by the following formula (6), the hydrophobic unit represented by the above formula (3a) and the hydrophilic unit represented by the above formula (4) are carbon- Anion exchange resins linked via carbon bonds are mentioned.

Figure 2020117568
(式中、Aは、上記式(4)のAと同意義を示し、qおよびmは配合比あるいは繰り返し数を表し、1〜100を示し、oは、繰り返し数を表し、1〜100を示す。)
Figure 2020117568
(In the formula, A represents the same meaning as A in the above formula (4), q and m represent a compounding ratio or the number of repetitions, represent 1 to 100, and o represents the number of repetitions, 1 to 100 Show.)

このような陰イオン交換樹脂として、とりわけ好ましくは、下記式(7a)で示されるように、上記式(3a)で示される疎水ユニットと、上記式(4a)で示される親水ユニットとが炭素−炭素結合を介して結合された陰イオン交換樹脂、下記式(7b)で示されるように、上記式(3a)で示される疎水ユニットと、上記式(4b)で示される親水ユニットとが炭素−炭素結合を介して結合された陰イオン交換樹脂、下記式(7c)で示されるように、上記式(3a)で示される疎水ユニットと、上記式(4c)で示される親水ユニットとが炭素−炭素結合を介して結合された陰イオン交換樹脂、下記式(7d)で示されるように、上記式(3a)で示される疎水ユニットと、および上記式(4d)で示される親水ユニットとが炭素−炭素結合を介して結合された陰イオン交換樹脂が挙げられる。 As such an anion exchange resin, particularly preferably, as shown by the following formula (7a), a hydrophobic unit represented by the above formula (3a) and a hydrophilic unit represented by the above formula (4a) are carbon-based. An anion exchange resin bonded via a carbon bond, wherein a hydrophobic unit represented by the above formula (3a) and a hydrophilic unit represented by the above formula (4b) are carbon-based as represented by the following formula (7b). An anion exchange resin bonded via a carbon bond, wherein a hydrophobic unit represented by the above formula (3a) and a hydrophilic unit represented by the above formula (4c) are carbon-based as represented by the following formula (7c). An anion exchange resin bonded through a carbon bond, a hydrophobic unit represented by the above formula (3a) and a hydrophilic unit represented by the above formula (4d) are carbon as represented by the following formula (7d). -Anion exchange resins linked via carbon bonds.

Figure 2020117568
(式中、qおよびmは配合比あるいは繰り返し数を表し、1〜100を示し、oは、繰り返し数を表し、1〜100を示す。)
Figure 2020117568
(In the formula, q and m represent a compounding ratio or the number of repetitions and represent 1 to 100, and o represents the number of repetitions and represent 1 to 100.)

Figure 2020117568
(式中、qおよびmは配合比あるいは繰り返し数を表し、1〜100を示し、oは、繰り返し数を表し、1〜100を示す。)
Figure 2020117568
(In the formula, q and m represent a compounding ratio or the number of repetitions and represent 1 to 100, and o represents the number of repetitions and represent 1 to 100.)

Figure 2020117568
(式中、qおよびmは配合比あるいは繰り返し数を表し、1〜100を示し、oは、繰り返し数を表し、1〜100を示す。)
Figure 2020117568
(In the formula, q and m represent a compounding ratio or the number of repetitions and represent 1 to 100, and o represents the number of repetitions and represent 1 to 100.)

Figure 2020117568
(式中、qおよびmは配合比あるいは繰り返し数を表し、1〜100を示し、oは、繰り返し数を表し、1〜100を示す。)
Figure 2020117568
(In the formula, q and m represent a compounding ratio or the number of repetitions and represent 1 to 100, and o represents the number of repetitions and represent 1 to 100.)

このような陰イオン交換樹脂の数平均分子量は、上記したように、例えば、10〜1000kDa、好ましくは、30〜500kDaである。 The number average molecular weight of such anion exchange resin is, for example, 10 to 1000 kDa, or preferably 30 to 500 kDa, as described above.

陰イオン交換樹脂を製造する方法としては、特に制限されず、公知の方法を採用することができる。好ましくは、重縮合反応による方法が、採用される。 The method for producing the anion exchange resin is not particularly limited, and a known method can be adopted. Preferably, a method by polycondensation reaction is adopted.

この方法により陰イオン交換樹脂を製造する場合には、例えば、疎水性基形成用モノマーを準備し、陰イオン交換基前駆官能基を有する親水性基形成用モノマーを準備し、疎水性基形成用モノマーと陰イオン交換基前駆官能基を有する親水性基形成用モノマーとを重合反応させることによりポリマーを合成し、ポリマー中の陰イオン交換基前駆官能基をイオン化させることにより、陰イオン交換樹脂を製造することができる。あるいは、疎水性基形成用モノマーを準備し、親水性基形成用モノマーを準備し、疎水性基形成用モノマーと親水性基形成用モノマーとを重合反応させることによりポリマーを合成し、ポリマー中に陰イオン交換基を有する置換基を導入することにより、陰イオン交換樹脂を製造することができる。 When an anion exchange resin is produced by this method, for example, a hydrophobic group-forming monomer is prepared, a hydrophilic group-forming monomer having an anion exchange group precursor functional group is prepared, and a hydrophobic group-forming monomer is prepared. A polymer is synthesized by polymerizing a monomer and a hydrophilic group-forming monomer having an anion exchange group precursor functional group, and an anion exchange resin is prepared by ionizing the anion exchange group precursor functional group in the polymer. It can be manufactured. Alternatively, a monomer for forming a hydrophobic group is prepared, a monomer for forming a hydrophilic group is prepared, and a polymer is synthesized by polymerizing a hydrophobic group forming monomer and a monomer for forming a hydrophilic group. An anion exchange resin can be produced by introducing a substituent having an anion exchange group.

重縮合反応については、従来公知の一般的な方法を採用することができる。好ましくは、炭素−炭素結合を形成する、カップリングが採用される。 For the polycondensation reaction, a conventionally known general method can be adopted. Preferably, a coupling is used that forms a carbon-carbon bond.

疎水性基形成用モノマーとして、好ましくは、上記式(1)に対応する、下記式(11)で示される化合物が挙げられる。 Preferred examples of the hydrophobic group-forming monomer include compounds represented by the following formula (11), which correspond to the above formula (1).

Figure 2020117568
(式中、X、Y、Z、h、h’、h’’、h’’’、i、i’、i’’、およびi’’’は、上記式(1)のX、Y、Z、h、h’、h’’、h’’’、i、i’、i’’、およびi’’’と同異議を示し、Tは、互いに同一または相異なって、ハロゲン原子、擬ハロゲン化物、ボロン酸基、ボロン酸誘導体、または水素原子を示す。)
Figure 2020117568
(In the formula, X, Y, Z, h, h′, h″, h′″, i, i′, i″, and i′″ are X, Y, and Z, h, h′, h″, h′″, i, i′, i″, and i′″ are the same as each other, and T is the same or different from each other and is a halogen atom or a pseudo atom. Indicates a halide, boronic acid group, boronic acid derivative, or hydrogen atom.)

疎水性基形成用モノマーとして、とりわけ好ましくは、上記式(1a)に対応する、下記式(11a)で示される化合物が挙げられる。 As the monomer for forming a hydrophobic group, a compound represented by the following formula (11a) corresponding to the above formula (1a) is particularly preferable.

Figure 2020117568
(Tは、互いに同一または相異なって、ハロゲン原子、擬ハロゲン化物、ボロン酸基、ボロン酸誘導体、または水素原子を示す。)
Figure 2020117568
(Ts are the same or different from each other and represent a halogen atom, a pseudohalide, a boronic acid group, a boronic acid derivative, or a hydrogen atom.)

陰イオン交換基前駆官能基を有する親水性基形成用モノマーとして、好ましくは、上記式(2)に対応する、下記式(12)で示される化合物が挙げられる。 The hydrophilic group-forming monomer having an anion exchange group precursor functional group is preferably a compound represented by the following formula (12), which corresponds to the above formula (2).

Figure 2020117568
(式中、Preは、互いに同一または相異なって、陰イオン交換基含有基前駆官能基を示すか、または陰イオン交換基前駆官能基を含有する環状構造を示し、Tは、互いに同一または相異なって、ハロゲン原子、擬ハロゲン化物、ボロン酸基、ボロン酸誘導体、または水素原子を示す。)
Figure 2020117568
(In the formula, Pre are the same or different from each other and represent an anion exchange group-containing group precursor functional group or a cyclic structure containing an anion exchange group precursor functional group, and T is the same or different from each other. Differently, a halogen atom, a pseudohalide, a boronic acid group, a boronic acid derivative, or a hydrogen atom is shown.)

疎水性基形成用モノマーおよび陰イオン交換基前駆官能基を有する親水性基形成用モノマーをカップリングにより重合させる際において、第1モノマーおよび第2モノマーの配合量は、それぞれ、得られる陰イオン交換樹脂前駆体ポリマーにおいて所望の疎水ユニットと親水ユニットの配合比になるように調整される。 When polymerizing the hydrophobic group-forming monomer and the hydrophilic group-forming monomer having an anion-exchange group precursor functional group by coupling, the compounding amounts of the first monomer and the second monomer are respectively the anion-exchange obtained. The resin precursor polymer is adjusted to have a desired mixing ratio of the hydrophobic unit and the hydrophilic unit.

これらの方法では、疎水性基形成用モノマーと陰イオン交換基前駆官能基を有する親水性基形成用モノマーとを、例えば、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシドなどの溶媒に溶解させ、ビス(シクロオクタ−1,5−ジエン)ニッケル(0)などを触媒として、重合する方法など、公知の方法を採用することができる。 In these methods, a hydrophobic group-forming monomer and a hydrophilic group-forming monomer having an anion exchange group precursor functional group are dissolved in a solvent such as N,N-dimethylacetamide or dimethylsulfoxide, and bis( A known method such as a method of polymerizing using cyclooct-1,5-diene)nickel (0) or the like as a catalyst can be adopted.

カップリング反応における反応温度は、例えば、−100〜300℃、好ましくは、−50〜200℃であり、反応時間は、例えば、1〜48時間、好ましくは、2〜5時間である。 The reaction temperature in the coupling reaction is, for example, −100 to 300° C., preferably −50 to 200° C., and the reaction time is, for example, 1 to 48 hours, preferably 2 to 5 hours.

上記式(11)で示される化合物と上記式(12)で示される化合物のカップリングにより、下記式(15)で示される陰イオン交換樹脂前駆体ポリマーが得られる。 By coupling the compound represented by the above formula (11) and the compound represented by the above formula (12), an anion exchange resin precursor polymer represented by the following formula (15) is obtained.

Figure 2020117568
(式中、X、Y、Z、h、h’、h’’、h’’’、i、i’、i’’、i’’’、およびqは、上記式(11)のX、Y、Z、h、h’、h’’、h’’’、i、i’、i’’、i’’’、およびqと同異議を示し、Preは、上記式(12)のPreと同意義を示し、qおよびmは配合比あるいは繰り返し数を表し、1〜100を示し、oは、繰り返し数を表し、1〜100を示す。)
Figure 2020117568
(In the formula, X, Y, Z, h, h′, h″, h′″, i, i′, i″, i′″, and q are X in the formula (11), Y, Z, h, h′, h″, h′″, i, i′, i″, i′″, and q are the same objections, and Pre is Pre of the above formula (12). And q and m represent the compounding ratio or the number of repetitions and represent 1 to 100, and o represents the number of repetitions and represent 1 to 100).

とりわけ好ましくは、上記式(11a)で示される化合物と上記式(12)で示される化合物のカップリングにより、下記式(16)で示される陰イオン交換樹脂前駆体ポリマーが得られる。 Particularly preferably, the anion exchange resin precursor polymer represented by the following formula (16) is obtained by coupling the compound represented by the formula (11a) with the compound represented by the formula (12).

Figure 2020117568
(式中、Preは、上記式(12)のPreと同意義を示し、qおよびmは配合比あるいは繰り返し数を表し、1〜100を示し、oは、繰り返し数を表し、1〜100を示す。)
Figure 2020117568
(In the formula, Pre has the same meaning as Pre of the above formula (12), q and m represent a compounding ratio or the number of repetitions, 1 to 100, o represents the number of repetitions, 1 to 100 Show.)

次いで、この方法では、陰イオン交換基前駆官能基をイオン化する。イオン化する方法としては、特に制限されず、公知の方法を採用することができる。 Then, in this method, the anion-exchange group precursor functional group is ionized. The ionization method is not particularly limited, and a known method can be adopted.

陰イオン交換樹脂前駆体ポリマーを、例えば、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシドなどの溶媒に溶解させ、ヨウ化メチルなどをアルキル化剤として、イオン化する方法など、公知の方法を採用することができる。 It is possible to adopt a known method such as a method in which the anion exchange resin precursor polymer is dissolved in a solvent such as N,N-dimethylacetamide or dimethylsulfoxide and ionized with methyl iodide or the like as an alkylating agent. it can.

イオン化反応における反応温度は、例えば、0〜100℃、好ましくは、20〜80℃であり、反応時間は、例えば、24〜72時間、好ましくは、48〜72時間である。 The reaction temperature in the ionization reaction is, for example, 0 to 100° C., preferably 20 to 80° C., and the reaction time is, for example, 24 to 72 hours, preferably 48 to 72 hours.

上記式(15)で示される陰イオン交換樹脂前駆体ポリマーをイオン化することで、上記式(5)で示される陰イオン交換樹脂が得られる。とりわけ好ましくは、上記式(16)で示される陰イオン交換樹脂前駆体ポリマーをイオン化することで、上記式(6)で示される陰イオン交換樹脂が得られる。 By ionizing the anion exchange resin precursor polymer represented by the above formula (15), the anion exchange resin represented by the above formula (5) is obtained. Particularly preferably, the anion exchange resin precursor polymer represented by the above formula (16) is ionized to obtain the anion exchange resin represented by the above formula (6).

陰イオン交換樹脂のイオン交換基容量は、例えば、0.1〜4.0meq./g、好ましくは、0.6〜3.0meq./gである。 The ion exchange group capacity of the anion exchange resin is, for example, 0.1 to 4.0 meq. /G, preferably 0.6 to 3.0 meq. /G.

なお、イオン交換基容量は、下記式(24)により求めることができる。
[イオン交換基容量(meq./g)]=親水ユニット当たりの陰イオン交換基導入量×親水ユニットの繰り返し単位×1000/(疎水ユニットの分子量×疎水ユニットの繰り返し単位数+親水ユニットの分子量×親水ユニットの繰り返し単位数+イオン交換基の分子量×親水ユニットの繰り返し単位数) (24)
なお、イオン交換基導入量とは、単位親水性基あたりのイオン交換基の数と定義される。また、陰イオン交換基導入量は、親水性基において主鎖または側鎖に導入された上記陰イオン交換基のモル数(mol)である。
The ion exchange group capacity can be calculated by the following formula (24).
[Ion exchange group capacity (meq./g)]=introduction amount of anion exchange group per hydrophilic unit×repeating unit of hydrophilic unit×1000/(molecular weight of hydrophobic unit×number of repeating units of hydrophobic unit+molecular weight of hydrophilic unit××) Number of repeating units of hydrophilic unit + molecular weight of ion-exchange group x number of repeating units of hydrophilic unit) (24)
The amount of ion exchange groups introduced is defined as the number of ion exchange groups per unit hydrophilic group. The anion-exchange group introduction amount is the number of moles (mol) of the anion-exchange group introduced into the main chain or side chain of the hydrophilic group.

そして、このような陰イオン交換樹脂は、上記式(1)で表される2価の疎水性基と、単数の芳香環からなる、または、2価の炭化水素基、2価のケイ素含有基、2価の窒素含有基、2価のリン含有基、2価の酸素含有基、もしくは2価の硫黄含有基である連結基、および/または炭素−炭素結合を介して互いに結合する複数の芳香環からなり、前記連結基または前記芳香環のうち少なくとも1つが、陰イオン交換基含有基と結合した2価の親水性基とからなり、前記疎水性基単体からなる、または、前記疎水性基が、エーテル結合、チオエーテル結合、もしくは炭素−炭素結合を介して繰り返される疎水ユニットと、前記親水性基単体からなる、または、前記親水性基が、エーテル結合、チオエーテル結合、もしくは炭素−炭素結合を介して繰り返される親水ユニットとを有し、前記疎水ユニットと前記親水ユニットとが、エーテル結合、チオエーテル結合、または炭素−炭素結合を介して結合している。このような陰イオン交換樹脂は、電気的特性(特に、導電率)に優れる。 Further, such an anion exchange resin is composed of a divalent hydrophobic group represented by the above formula (1) and a single aromatic ring, or is a divalent hydrocarbon group or a divalent silicon-containing group. A divalent nitrogen-containing group, a divalent phosphorus-containing group, a divalent oxygen-containing group, or a linking group that is a divalent sulfur-containing group, and/or a plurality of aromas bonded to each other via a carbon-carbon bond. A ring, at least one of the linking group or the aromatic ring is composed of a divalent hydrophilic group bonded to an anion-exchange group-containing group, and is composed of the hydrophobic group alone, or the hydrophobic group. Is composed of a hydrophobic unit repeated through an ether bond, a thioether bond, or a carbon-carbon bond and the hydrophilic group alone, or the hydrophilic group has an ether bond, a thioether bond, or a carbon-carbon bond. And a hydrophilic unit which is repeated via the hydrophobic unit and the hydrophilic unit are bonded to each other via an ether bond, a thioether bond, or a carbon-carbon bond. Such an anion exchange resin has excellent electrical characteristics (in particular, electrical conductivity).

特に、親水性基が炭素−炭素結合を介して繰り返される親水ユニットを有する場合、エーテル結合が含有されていないため、耐アルカリ性などの耐久性に優れる。より詳しくは、親水ユニットにエーテル結合が含有されていると、下記のように、水酸化物イオン(OH)による分解が起きる可能性があり、耐アルカリ性が十分でない場合があった。 In particular, when the hydrophilic group has a hydrophilic unit which is repeated through a carbon-carbon bond, it has excellent durability such as alkali resistance because it does not contain an ether bond. More specifically, when the hydrophilic unit contains an ether bond, decomposition by hydroxide ion (OH ) may occur as described below, and alkali resistance may not be sufficient.

Figure 2020117568
Figure 2020117568

それに対し、親水性基が炭素−炭素結合を介して繰り返される親水ユニットを有する陰イオン交換樹脂の親水ユニットには、エーテル結合が含有されていないため、上記の機構による分解は起こらず、その結果として耐アルカリ性などの耐久性に優れたものとなる。 On the other hand, since the hydrophilic unit of the anion exchange resin having a hydrophilic unit in which the hydrophilic group is repeated through the carbon-carbon bond does not contain an ether bond, decomposition by the above mechanism does not occur, and as a result, As a result, it has excellent durability such as alkali resistance.

本発明は、このような陰イオン交換樹脂を用いて得られる電解質層(電解質膜)、さらには、その電解質層(電解質膜)を備える燃料電池を、含んでいる。すなわち、本発明の電解質膜は、燃料電池用電解質膜であることが好ましい。 The present invention includes an electrolyte layer (electrolyte membrane) obtained by using such an anion exchange resin, and further a fuel cell including the electrolyte layer (electrolyte membrane). That is, the electrolyte membrane of the present invention is preferably a fuel cell electrolyte membrane.

図1は、本発明の燃料電池の一実施形態を示す概略構成図である。図1において、この燃料電池1は、燃料電池セルSを備えており、燃料電池セルSは、燃料側電極2、酸素側電極3および電解質膜4を備え、燃料側電極2および酸素側電極3が、それらの間に電解質膜4を挟んだ状態で、対向配置されている。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a fuel cell of the present invention. In FIG. 1, the fuel cell 1 includes a fuel cell S, and the fuel cell S includes a fuel side electrode 2, an oxygen side electrode 3 and an electrolyte membrane 4, and a fuel side electrode 2 and an oxygen side electrode 3 are provided. However, they are opposed to each other with the electrolyte membrane 4 interposed therebetween.

電解質膜4としては、上記した陰イオン交換樹脂を用いることができる(すなわち、電解質膜4は、上記した陰イオン交換樹脂を含んでいる。)。 The above-mentioned anion exchange resin can be used as the electrolyte membrane 4 (that is, the electrolyte membrane 4 contains the above anion exchange resin).

なお、電解質膜4としては、例えば、多孔質基材などの公知の補強材により補強することができ、さらには、例えば、分子配向などを制御するための二軸延伸処理や、結晶化度や残存応力を制御するための熱処理などの各種処理することができる。また、電解質膜4には、その機械強度を上げるために、公知のフィラーを添加することができ、電解質膜4と、ガラス不織布などの補強剤とをプレスにより複合化させることもできる。 The electrolyte membrane 4 can be reinforced by, for example, a known reinforcing material such as a porous base material, and further, for example, biaxial stretching treatment for controlling molecular orientation, crystallinity, Various treatments such as heat treatment for controlling the residual stress can be performed. Further, a known filler can be added to the electrolyte membrane 4 in order to increase its mechanical strength, and the electrolyte membrane 4 and a reinforcing agent such as a glass non-woven fabric can be combined by pressing.

また、電解質膜4において、通常用いられる各種添加剤、例えば、相溶性を向上させるための相溶化剤、例えば、樹脂劣化を防止するための酸化防止剤、例えば、フィルムとしての成型加工における取扱性を向上するための帯電防止剤や滑剤などを、電解質膜4としての加工や性能に影響を及ぼさない範囲で、適宜含有させることができる。 Further, in the electrolyte membrane 4, various additives that are normally used, for example, a compatibilizing agent for improving compatibility, for example, an antioxidant for preventing resin deterioration, for example, handleability in molding processing as a film. An antistatic agent, a lubricant, or the like for improving the temperature can be appropriately contained within a range that does not affect the processing and performance of the electrolyte membrane 4.

電解質膜4の厚さは、特に制限されず、目的および用途に応じて、適宜設定される。 The thickness of the electrolyte membrane 4 is not particularly limited and is appropriately set depending on the purpose and application.

電解質膜4の厚みは、例えば、1.2〜350μm、好ましくは、5〜200μmである。 The thickness of the electrolyte membrane 4 is, for example, 1.2 to 350 μm, preferably 5 to 200 μm.

燃料側電極2は、電解質膜4の一方の面に対向接触されている。この燃料側電極2は、例えば、多孔質担体に触媒が担持されている触媒層(電池電極触媒層)を含んでいる。 The fuel-side electrode 2 is opposed to and in contact with one surface of the electrolyte membrane 4. The fuel-side electrode 2 includes, for example, a catalyst layer (cell electrode catalyst layer) in which a catalyst is supported on a porous carrier.

多孔質担体としては、特に限定されず、カーボンなどの、撥水性担体が挙げられる。 The porous carrier is not particularly limited, and examples thereof include water repellent carriers such as carbon.

電極触媒としては、特に制限されず、例えば、白金族元素(Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt)、鉄族元素(Fe、Co、Ni)などの周期表第8〜10(IUPAC Periodic Table of the Elements(version date 19 February 2010)に従う。以下同じ。)族元素や、例えば、Cu、Ag、Auなどの周期表第11族元素など、さらにはこれらの組み合わせなどが挙げられ、好ましくは、Pt(白金)が挙げられる。 The electrode catalyst is not particularly limited, and examples thereof include platinum group elements (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt), iron group elements (Fe, Co, Ni), etc., in the periodic table Nos. 8 to 10 (IUPAC Periodic). Table of the Elements (version date 19 February 2010). The same shall apply hereinafter. Group elements of the periodic table such as Cu, Ag, Au, etc., and combinations thereof, and the like are preferable. , Pt (platinum).

燃料側電極2は、例えば、上記多孔質単体および触媒を、公知の電解質溶液に分散させ、電極インクを調製する。次いで、必要により、電極インクの粘度を、アルコール類などの適量の有機溶媒を配合することにより調整し、その後、電極インクを、公知の方法(例えば、スプレー法、ダイコーター法など)により電解質膜4の一方面に塗布し、所定の温度で乾燥させることにより、薄膜状の電極膜として電解質膜4の一方面に接合される。 For the fuel electrode 2, for example, the porous simple substance and the catalyst are dispersed in a known electrolyte solution to prepare an electrode ink. Then, if necessary, the viscosity of the electrode ink is adjusted by blending an appropriate amount of an organic solvent such as alcohols, and then the electrode ink is subjected to a known method (for example, a spray method, a die coater method, etc.) to form an electrolyte membrane. 4 is applied to one surface and dried at a predetermined temperature to be bonded to one surface of the electrolyte membrane 4 as a thin film electrode film.

燃料側電極2における電極触媒の担持量は、特に限定されないが、例えば、0.1〜10.0mg/cm、好ましくは、0.5〜5.0mg/cmである。 Loading amount of the electrode catalyst in the fuel-side electrode 2 is not particularly limited, for example, 0.1 to 10.0 mg / cm 2, preferably from 0.5 to 5.0 / cm 2.

燃料側電極2では、後述するように、供給される燃料と、電解質膜4を通過した水酸化物イオン(OH)とを反応させて、電子(e)および水(HO)を生成させる。なお、例えば、燃料が水素(H)である場合には、電子(e)および水(HO)のみを生成させ、燃料がアルコールである場合には、電子(e)および水(HO)、および二酸化炭素(CO)などを生成させ、燃料がヒドラジン(NHNH)である場合には、電子(e)、水(HO)および窒素(N)を生成させる。 In the fuel-side electrode 2, as will be described later, the supplied fuel and the hydroxide ions (OH ) that have passed through the electrolyte membrane 4 are reacted to generate electrons (e ) and water (H 2 O). To generate. Note that, for example, when the fuel is hydrogen (H 2 ), only electrons (e ) and water (H 2 O) are generated, and when the fuel is alcohol, electrons (e ) and water are generated. (H 2 O), carbon dioxide (CO 2 ) and the like, and when the fuel is hydrazine (NH 2 NH 2 ), electrons (e ), water (H 2 O) and nitrogen (N 2 ) ) Is generated.

酸素側電極3は、電解質膜4の他方の面に対向接触されている。この酸素側電極3は、例えば、多孔質担体に触媒が担持されている触媒層(電池電極触媒層)を含んでいる。 The oxygen-side electrode 3 is opposed to and in contact with the other surface of the electrolyte membrane 4. The oxygen-side electrode 3 includes, for example, a catalyst layer (battery electrode catalyst layer) in which a catalyst is supported on a porous carrier.

酸素側電極3は、例えば、上記多孔質単体および触媒を、公知の電解質溶液に分散させ、電極インクを調製する。次いで、必要により、電極インクの粘度を、アルコール類などの適量の有機溶媒を配合することにより調整し、その後、電極インクを、公知の方法(例えば、スプレー法、ダイコーター法など)により電解質膜4の他方面に塗布し、所定の温度で乾燥させることにより、薄膜状の電極膜として電解質膜4の他方面に接合される。 For the oxygen-side electrode 3, for example, the porous simple substance and the catalyst are dispersed in a known electrolyte solution to prepare an electrode ink. Then, if necessary, the viscosity of the electrode ink is adjusted by blending an appropriate amount of an organic solvent such as alcohols, and then the electrode ink is subjected to an electrolyte membrane by a known method (for example, a spray method, a die coater method, etc.). 4 is applied to the other surface and dried at a predetermined temperature to be bonded to the other surface of the electrolyte membrane 4 as a thin electrode film.

これにより、電解質膜4、燃料側電極2および酸素側電極3は、電解質膜4の一方面に薄膜状の燃料側電極2が接合され、電解質膜4の他方面に薄膜状の酸素側電極3が接合されてなる膜・電極接合体を形成している。 As a result, in the electrolyte membrane 4, the fuel-side electrode 2, and the oxygen-side electrode 3, the thin-film fuel-side electrode 2 is bonded to one surface of the electrolyte membrane 4, and the thin-film oxygen-side electrode 3 is joined to the other surface of the electrolyte membrane 4. To form a membrane/electrode assembly.

酸素側電極3における触媒の担持量は、特に限定されないが、例えば、0.1〜10.0mg/cm、好ましくは、0.5〜5.0mg/cmである。 Amount of catalyst supported in the oxygen-side electrode 3 is not particularly limited, for example, 0.1 to 10.0 mg / cm 2, preferably from 0.5 to 5.0 / cm 2.

酸素側電極3では、後述するように、供給される酸素(O)と、電解質膜4を通過した水(HO)と、外部回路13を通過した電子(e)とを反応させて、水酸化物イオン(OH)を生成させる。 In the oxygen-side electrode 3, as will be described later, the supplied oxygen (O 2 ) reacts with water (H 2 O) that has passed through the electrolyte membrane 4 and electrons (e ) that have passed through the external circuit 13. Generate hydroxide ion (OH ).

燃料電池セルSは、さらに、燃料供給部材5および酸素供給部材6を備えている。燃料供給部材5は、ガス不透過性の導電性部材からなり、その一方の面が、燃料側電極2に対向接触されている。そして、この燃料供給部材5には、燃料側電極2の全体に燃料を接触させるための燃料側流路7が、一方の面から凹む葛折状の溝として形成されている。なお、この燃料側流路7には、その上流側端部および下流側端部に、燃料供給部材5を貫通する供給口8および排出口9がそれぞれ連続して形成されている。 The fuel cell S further includes a fuel supply member 5 and an oxygen supply member 6. The fuel supply member 5 is made of a gas impermeable conductive member, and one surface of the fuel supply member 5 is in contact with the fuel side electrode 2 so as to face it. The fuel supply member 5 is provided with a fuel-side flow path 7 for contacting the fuel with the entire fuel-side electrode 2 as a zigzag groove recessed from one surface. A supply port 8 and a discharge port 9 penetrating the fuel supply member 5 are continuously formed at the upstream side end and the downstream side end of the fuel side flow passage 7, respectively.

また、酸素供給部材6も、燃料供給部材5と同様に、ガス不透過性の導電性部材からなり、その一方の面が、酸素側電極3に対向接触されている。そして、この酸素供給部材6にも、酸素側電極3の全体に酸素(空気)を接触させるための酸素側流路10が、一方の面から凹む葛折状の溝として形成されている。なお、この酸素側流路10にも、その上流側端部および下流側端部に、酸素供給部材6を貫通する供給口11および排出口12がそれぞれ連続して形成されている。 Similarly to the fuel supply member 5, the oxygen supply member 6 is also made of a gas-impermeable conductive member, and one surface of the oxygen supply member 6 is in contact with the oxygen-side electrode 3 so as to face it. The oxygen supply member 6 is also provided with an oxygen-side flow path 10 for bringing oxygen (air) into contact with the entire oxygen-side electrode 3 as a groove having a dented shape that is recessed from one surface. It should be noted that the oxygen-side flow passage 10 also has a supply port 11 and a discharge port 12 that penetrate the oxygen supply member 6 continuously formed at the upstream end and the downstream end thereof, respectively.

この燃料電池1は、実際には、上記した燃料電池セルSが、複数積層されるスタック構造として形成される。そのため、燃料供給部材5および酸素供給部材6は、実際には、両面に燃料側流路7および酸素側流路10が形成されるセパレータとして構成される。 The fuel cell 1 is actually formed as a stack structure in which a plurality of the fuel cells S described above are stacked. Therefore, the fuel supply member 5 and the oxygen supply member 6 are actually configured as a separator in which the fuel side channel 7 and the oxygen side channel 10 are formed on both surfaces.

なお、図示しないが、この燃料電池1には、導電性材料によって形成される集電板が備えられており、集電板に備えられた端子から燃料電池1で発生した起電力を外部に取り出すことができるように構成されている。 Although not shown, the fuel cell 1 is provided with a current collector plate made of a conductive material, and the electromotive force generated in the fuel cell 1 is taken out from a terminal provided on the current collector plate. Is configured to be able to.

また、図1においては、この燃料電池セルSの燃料供給部材5と酸素供給部材6とを外部回路13によって接続し、その外部回路13に電圧計14を介在させて、発生する電圧を計測するようにしている。 Further, in FIG. 1, the fuel supply member 5 and the oxygen supply member 6 of the fuel cell S are connected by an external circuit 13, and a voltage meter 14 is interposed in the external circuit 13 to measure the generated voltage. I am trying.

この燃料電池1においては、燃料が、改質などを経由することなく直接に、または、改質などを経由した上で、燃料側電極2に供給される。 In the fuel cell 1, the fuel is supplied to the fuel-side electrode 2 either directly without reforming or after reforming.

燃料としては、含水素燃料が挙げられる。 Examples of the fuel include hydrogen-containing fuel.

含水素燃料は、分子中に水素原子を含有する燃料であって、例えば、水素ガス、アルコール類、ヒドラジン類などが挙げられ、好ましくは、水素ガスまたはヒドラジン類が挙げられる。 The hydrogen-containing fuel is a fuel containing a hydrogen atom in its molecule, and examples thereof include hydrogen gas, alcohols, hydrazines, and the like, with hydrogen gas or hydrazines being preferable.

ヒドラジン類として、具体的には、例えば、ヒドラジン(NHNH)、水加ヒドラジン(NHNH・HO)、炭酸ヒドラジン((NHNHCO)、塩酸ヒドラジン(NHNH・HCl)、硫酸ヒドラジン(NHNH・HSO)、モノメチルヒドラジン(CHNHNH)、ジメチルヒドラジン((CHNNH、CHNHNHCH)、カルボンヒドラジド((NHNHCO)などが挙げられる。上記例示の燃料は、単独または2種類以上組み合わせて用いることができる。 Specific examples of hydrazines include hydrazine (NH 2 NH 2 ), hydrazine hydrate (NH 2 NH 2 ·H 2 O), hydrazine carbonate ((NH 2 NH 2 ) 2 CO 2 ), and hydrazine hydrochloride ( NH 2 NH 2 · HCl), hydrazine sulfate (NH 2 NH 2 · H 2 SO 4), monomethyl hydrazine (CH 3 NHNH 2), dimethylhydrazine ((CH 3) 2 NNH 2 , CH 3 NHNHCH 3), a carboxylic hydrazide ((NHNH 2 ) 2 CO) and the like. The above-exemplified fuels can be used alone or in combination of two or more kinds.

上記した燃料化合物のうち、炭素を含まない化合物、すなわち、ヒドラジン、水加ヒドラジン、硫酸ヒドラジンなどは、COおよびCOの生成がなく、触媒の被毒が生じないことから、耐久性の向上を図ることができ、実質的なゼロエミッションを実現することができる。 Among the above-mentioned fuel compounds, carbon-free compounds, that is, hydrazine, hydrazine hydrate, hydrazine sulfate, etc., do not generate CO and CO 2 and do not cause poisoning of the catalyst. Therefore, it is possible to achieve substantially zero emission.

また、上記例示の燃料としては、上記の燃料化合物をそのまま用いてもよいが、上記例示の燃料化合物を、例えば、水および/またはアルコール(例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、i−プロパノールなどの低級アルコールなど)などの溶液として用いることができる。この場合、溶液中の燃料化合物の濃度は、燃料化合物の種類によっても異なるが、例えば、1〜90質量%、好ましくは、1〜30質量%である。上記例示の溶媒は、単独または2種類以上組み合わせて用いることができる。 Further, as the above exemplified fuel, the above fuel compound may be used as it is, but the above exemplified fuel compound may be used, for example, in water and/or alcohol (for example, a lower solvent such as methanol, ethanol, propanol, i-propanol and the like). It can be used as a solution such as alcohol). In this case, the concentration of the fuel compound in the solution is, for example, 1 to 90% by mass, preferably 1 to 30% by mass, although it varies depending on the kind of the fuel compound. The solvents exemplified above can be used alone or in combination of two or more kinds.

さらに、燃料は、上記した燃料化合物をガス(例えば、蒸気)として用いることができる。 Further, as the fuel, the above-mentioned fuel compound can be used as a gas (for example, vapor).

そして、酸素供給部材6の酸素側流路10に酸素(空気)を供給しつつ、燃料供給部材5の燃料側流路7に上記した燃料を供給すれば、酸素側電極3においては、次に述べるように、燃料側電極2で発生し、外部回路13を介して移動する電子(e)と、燃料側電極2で発生する水(HO)と、酸素(O)とが反応して、水酸化物イオン(OH)を生成する。生成した水酸化物イオン(OH)は、アニオン交換膜からなる電解質膜4を、酸素側電極3から燃料側電極2へ移動する。そして、燃料側電極2においては、電解質膜4を通過した水酸化物イオン(OH)と、燃料とが反応して、電子(e)と水(HO)とが生成する。生成した電子(e)は、燃料供給部材5から外部回路13を介して酸素供給部材6に移動され、酸素側電極3へ供給される。また、生成した水(HO)は、電解質膜4を燃料側電極2から酸素側電極3へ移動する。このような燃料側電極2および酸素側電極3における電気化学的反応によって、起電力が生じ、発電が行われる。 If oxygen (air) is supplied to the oxygen side flow passage 10 of the oxygen supply member 6 and the above-mentioned fuel is supplied to the fuel side flow passage 7 of the fuel supply member 5, then in the oxygen side electrode 3, As described above, electrons (e ) generated in the fuel side electrode 2 and moving through the external circuit 13 react with water (H 2 O) generated in the fuel side electrode 2 and oxygen (O 2 ). Then, a hydroxide ion (OH ) is generated. The generated hydroxide ions (OH ) move in the electrolyte membrane 4 made of an anion exchange membrane from the oxygen side electrode 3 to the fuel side electrode 2. Then, in the fuel-side electrode 2, the hydroxide ions (OH ) that have passed through the electrolyte membrane 4 react with the fuel to generate electrons (e ) and water (H 2 O). The generated electrons (e ) are moved from the fuel supply member 5 to the oxygen supply member 6 via the external circuit 13 and are supplied to the oxygen-side electrode 3. The generated water (H 2 O) moves in the electrolyte membrane 4 from the fuel side electrode 2 to the oxygen side electrode 3. By such an electrochemical reaction in the fuel side electrode 2 and the oxygen side electrode 3, electromotive force is generated and power generation is performed.

なお、この燃料電池1の運転条件は、特に限定されないが、例えば、燃料側電極2側の加圧が200kPa以下、好ましくは、100kPa以下であり、酸素側電極3側の加圧が200kPa以下、好ましくは、100kPa以下であり、燃料電池セルSの温度が0〜120℃、好ましくは、20〜80℃として設定される。 The operating conditions of the fuel cell 1 are not particularly limited, but for example, the pressure on the fuel side electrode 2 side is 200 kPa or less, preferably 100 kPa or less, and the pressure on the oxygen side electrode 3 side is 200 kPa or less, It is preferably 100 kPa or less, and the temperature of the fuel cell S is set to 0 to 120°C, preferably 20 to 80°C.

そして、このような燃料電池1においては、電解質膜4に、上記の耐久性に優れる陰イオン交換樹脂を含む電解質膜が、用いられている。 In such a fuel cell 1, the electrolyte membrane 4 is an electrolyte membrane containing an anion exchange resin having excellent durability.

そのため、本発明の陰イオン交換樹脂を用いて得られる本発明の電解質膜、および、そのような電解質膜を備える燃料電池は、耐久性に優れる。 Therefore, the electrolyte membrane of the present invention obtained by using the anion exchange resin of the present invention, and the fuel cell provided with such an electrolyte membrane have excellent durability.

また、本発明は、上記した陰イオン交換樹脂を含む電極触媒層形成用バインダー、その電極触媒層形成用バインダーを含む電池電極触媒層、さらには、その電池電極触媒層を備える燃料電池を含んでいる。 The present invention also includes a binder for forming an electrode catalyst layer containing the above-mentioned anion exchange resin, a battery electrode catalyst layer containing the binder for forming an electrode catalyst layer, and a fuel cell having the battery electrode catalyst layer. There is.

すなわち、燃料電池1では、上記した燃料側電極2および/または酸素側電極3の形成時において、陰イオン交換樹脂を電極触媒層形成用バインダーに含有させることができる。 That is, in the fuel cell 1, the anion-exchange resin can be contained in the binder for forming the electrode catalyst layer when the fuel-side electrode 2 and/or the oxygen-side electrode 3 is formed.

陰イオン交換樹脂を電極触媒層形成用バインダーに含有させる方法として、具体的には、例えば、陰イオン交換樹脂を細断し、アルコール類などの適量の有機溶媒に溶解させることにより、電極触媒層形成用バインダーを調製する。 As a method of incorporating the anion exchange resin into the binder for forming an electrode catalyst layer, specifically, for example, the anion exchange resin is shredded and dissolved in an appropriate amount of an organic solvent such as alcohol to form an electrode catalyst layer. Prepare a forming binder.

電極触媒層形成用バインダーにおいて、陰イオン交換樹脂の含有割合は、電極触媒層形成用バインダー100質量部に対して、例えば、2〜10質量部、好ましくは、2〜5質量部である。 In the binder for forming the electrode catalyst layer, the content ratio of the anion exchange resin is, for example, 2 to 10 parts by mass, preferably 2 to 5 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the binder for forming the electrode catalyst layer.

また、その電極触媒層形成用バインダーを、上記した燃料側電極2および/または酸素側電極3の触媒層(電池電極触媒層)の形成に用いることにより、陰イオン交換樹脂を、触媒層(電池電極触媒層)に含有させることができ、これにより、陰イオン交換樹脂を含む触媒層(電池電極触媒層)を備える燃料電池1を得ることができる。 Further, by using the electrode catalyst layer forming binder for forming the catalyst layer (battery electrode catalyst layer) of the fuel side electrode 2 and/or the oxygen side electrode 3 described above, the anion exchange resin is used for the catalyst layer (battery layer). It can be contained in the electrode catalyst layer), whereby a fuel cell 1 including a catalyst layer (cell electrode catalyst layer) containing an anion exchange resin can be obtained.

そして、このような燃料電池1においては、電池電極触媒層の形成において、上記の耐久性に優れる陰イオン交換樹脂を含む電極触媒層形成用バインダーが、用いられている。 Then, in such a fuel cell 1, the above-mentioned binder for electrode catalyst layer formation containing an anion exchange resin having excellent durability is used in the formation of the cell electrode catalyst layer.

そのため、本発明の陰イオン交換樹脂を用いて得られる本発明の電極触媒層形成用バインダー、また、その電極触媒層形成用バインダーを用いて得られる電池電極触媒層は、耐久性に優れており、優れたアニオン導電性を確保することができる。 Therefore, the binder for forming an electrode catalyst layer of the present invention obtained by using the anion exchange resin of the present invention, and the battery electrode catalyst layer obtained by using the binder for forming an electrode catalyst layer have excellent durability. It is possible to secure excellent anion conductivity.

その結果、そのような電池電極触媒層を備える燃料電池は、耐久性に優れており、優れたアニオン導電性を確保することができる。 As a result, the fuel cell including such a cell electrode catalyst layer has excellent durability and can secure excellent anion conductivity.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の実施形態は、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で、適宜設計を変形することができる。 Although the embodiment of the present invention has been described above, the embodiment of the present invention is not limited to this, and the design can be appropriately modified without changing the gist of the present invention.

本発明の燃料電池の用途としては、例えば、自動車、船舶、航空機などにおける駆動用モータの電源や、携帯電話機などの通信端末における電源などが挙げられる。 Applications of the fuel cell of the present invention include, for example, a power source for a drive motor in an automobile, a ship, an aircraft, etc., a power source in a communication terminal such as a mobile phone, and the like.

次に、本発明を実施例および比較例に基づいて説明するが、本発明は下記の実施例によって限定されるものではない。 Next, the present invention will be described based on Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to the following Examples.

〔実施例1:陰イオン交換樹脂BAF−QAF(IEC=1.9meq./g)の合成〕
<モノマー1の合成>
窒素インレットおよび冷却管を備えた300mLの丸底三口フラスコに、ビスフェノールAF(18.0g、53.8mmol)、ジクロロトリフェニルホスホラン(36.0g、107mmol)を加え、350℃にて4時間反応を行った。反応混合物に、ジクロロメタン、ヘキサンを加えた後、シリカゲルカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:ヘキサン)によって精製した後、一晩真空乾燥(60℃)させることにより、下記式で示されるモノマー1(白色固体)を収率60%で得た。
[Example 1: Synthesis of anion exchange resin BAF-QAF (IEC=1.9 meq./g)]
<Synthesis of Monomer 1>
Bisphenol AF (18.0 g, 53.8 mmol) and dichlorotriphenylphosphorane (36.0 g, 107 mmol) were added to a 300 mL round bottom three-necked flask equipped with a nitrogen inlet and a cooling tube, and reacted at 350° C. for 4 hours. I went. Dichloromethane and hexane were added to the reaction mixture, followed by purification by silica gel column chromatography (developing solvent: hexane), followed by vacuum drying (60° C.) overnight to obtain Monomer 1 (white solid) represented by the following formula. Was obtained in a yield of 60%.

Figure 2020117568
Figure 2020117568

<モノマー2の合成>
500mLの丸底三口フラスコに、フルオレン(83.1g、0.50mol)、N−クロロスクシンイミド(167g、1.25mol)、アセトニトリル(166mL)を加えた。この混合物を撹拌して均一溶液にした後、12M塩酸(16.6mL)を加え、室温にて24時間反応を行った。反応溶液中からろ過によって回収した析出物をメタノール、および純水で洗浄後、一晩真空乾燥(60℃)させることにより、下記式で示されるモノマー2(白色固体)を収率65%で得た。
<Synthesis of Monomer 2>
Fluorene (83.1 g, 0.50 mol), N-chlorosuccinimide (167 g, 1.25 mol), and acetonitrile (166 mL) were added to a 500 mL round bottom three-necked flask. This mixture was stirred to make a uniform solution, 12M hydrochloric acid (16.6 mL) was added, and the reaction was carried out at room temperature for 24 hours. The precipitate recovered from the reaction solution by filtration was washed with methanol and pure water, and then vacuum dried (60° C.) overnight to obtain Monomer 2 (white solid) represented by the following formula with a yield of 65%. It was

Figure 2020117568
Figure 2020117568

<モノマー3の合成>
300mLの丸底三口フラスコに、モノマー2(8.23g、35.0mmol)、1,6−ジブロモヘキサン(53mL)を加えた。この混合物を撹拌して均一溶液にした後、テトラブチルアンモニウム(2.26g、7.00mmol)、水酸化カリウム(35.0g)、純水(35mL)の混合溶液を加え、80℃にて1時間反応を行った。反応溶液に純水を加え反応を停止させた。水層から目的物をジクロロメタンで抽出し、合わせた有機層を純水および食塩水で洗浄後、水、ジクロロメタンおよび1、6−ジブロモヘキサンを留去した。粗生成物をシリカゲルカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:ジクロロメタン/ヘキサン=1/4)によって精製した後、一晩真空乾燥(60℃)させることにより、下記式で示されるモノマー3(淡黄色固体)を収率75%で得た。
<Synthesis of Monomer 3>
Monomer 2 (8.23 g, 35.0 mmol) and 1,6-dibromohexane (53 mL) were added to a 300 mL round bottom three-necked flask. After stirring this mixture to form a uniform solution, a mixed solution of tetrabutylammonium (2.26 g, 7.00 mmol), potassium hydroxide (35.0 g) and pure water (35 mL) was added, and the mixture was stirred at 80° C. for 1 hour. The reaction was carried out over time. Pure water was added to the reaction solution to stop the reaction. The target substance was extracted from the aqueous layer with dichloromethane, and the combined organic layers were washed with pure water and brine, and then water, dichloromethane and 1,6-dibromohexane were distilled off. The crude product was purified by silica gel column chromatography (developing solvent: dichloromethane/hexane=1/4) and then dried under vacuum (60° C.) overnight to obtain a monomer 3 (pale yellow solid) represented by the following formula. Obtained with a yield of 75%.

Figure 2020117568
Figure 2020117568

<モノマー4の合成>
300mLの丸底三口フラスコに、モノマー3(13.2g、23.4mol)、テトラヒドロフラン(117mL)を加えた。この混合物を撹拌して均一溶液にした後、40wt%ジメチルアミン水溶液(58.6mL)を加え、室温にて24時間反応を行った。反応溶液に飽和炭酸水素ナトリウム水溶液を加え反応を停止させた。テトラヒドロフランを除去した後、ヘキサンを加え、目的成分の抽出を行った。有機層を食塩水で洗浄後、水およびヘキサンを留去した。40℃一晩真空乾燥させることにより、下記式で示されるモノマー4(淡黄色固体)を収率75%で得た。
<Synthesis of Monomer 4>
Monomer 3 (13.2 g, 23.4 mol) and tetrahydrofuran (117 mL) were added to a 300 mL round bottom three-necked flask. This mixture was stirred to form a uniform solution, 40 wt% dimethylamine aqueous solution (58.6 mL) was added, and the reaction was carried out at room temperature for 24 hours. A saturated aqueous sodium hydrogen carbonate solution was added to the reaction solution to stop the reaction. After removing tetrahydrofuran, hexane was added to extract the target component. After washing the organic layer with brine, water and hexane were distilled off. By vacuum drying overnight at 40° C., a monomer 4 (pale yellow solid) represented by the following formula was obtained with a yield of 75%.

Figure 2020117568
Figure 2020117568

(重合反応)
窒素インレットおよび冷却管を備えた100mLの丸底三口フラスコに、モノマー1(0.703g、1.88mmol)、モノマー4(0.539g、1.10mmol)、2,2’−ビピリジン(1.12g、7.16mmol)、N,N−ジメチルアセトアミド(7mL)を加えた。この混合物を撹拌して均一溶液にした後、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(0)(1.97g、7.16mmol)を加え、80℃にて3時間反応を行った。反応混合物をメタノールと12M塩酸の混合溶液(メタノール/12M塩酸=1/1)中に滴下し反応を停止させた。混合物中から濾過によって回収した析出物を12M塩酸、0.2M炭酸カリウム水溶液、および純水で洗浄後、一晩真空乾燥(60℃)させることにより、下記式で示される陰イオン交換樹脂前駆体ポリマーBAF−AF(黄色固体)を収率99%で得た。
(Polymerization reaction)
In a 100 mL round bottom three necked flask equipped with a nitrogen inlet and a condenser, Monomer 1 (0.703 g, 1.88 mmol), Monomer 4 (0.539 g, 1.10 mmol), 2,2'-bipyridine (1.12 g). , 7.16 mmol) and N,N-dimethylacetamide (7 mL) were added. After stirring this mixture to make a uniform solution, bis(1,5-cyclooctadiene)nickel(0) (1.97 g, 7.16 mmol) was added, and the reaction was carried out at 80° C. for 3 hours. The reaction mixture was added dropwise to a mixed solution of methanol and 12M hydrochloric acid (methanol/12M hydrochloric acid=1/1) to stop the reaction. The precipitate recovered from the mixture by filtration is washed with 12M hydrochloric acid, a 0.2M potassium carbonate aqueous solution, and pure water, and then vacuum dried (60° C.) overnight to obtain an anion exchange resin precursor represented by the following formula. Polymer BAF-AF (yellow solid) was obtained with a yield of 99%.

Figure 2020117568
Figure 2020117568

(四級化反応・製膜・イオン交換)
50mLの丸底三口フラスコに、陰イオン交換樹脂前駆体ポリマーBAF−AF(0.30g)、N,N−ジメチルアセトアミド(1.7mL)を加えた。この混合物を撹拌して均一溶液にした後、ヨウ化メチル(1.5mL)を加え、40℃にて48時間反応を行った。N,N−ジメチルアセトアミド(2mL)を加えた。反応溶液を純水中に滴下し反応を停止させた。混合物中から濾過によって回収した析出物を純水で洗浄後、一晩真空乾燥(60℃)させることにより、陰イオン交換樹脂前駆体ポリマーBAF−QAF(黄色固体)を得た。20mLの丸底三口フラスコに、得られたBAF−QAFと、N,N−ジメチルアセトアミドを加えた。この混合物を撹拌して均一溶液にした後、濾過を行った。濾液をシリコーンゴムで縁取りされたガラス板上に流し込み、水平に調節したホットプレート(40℃)上で乾燥させた。この膜を、一晩真空乾燥(60℃)させることにより、淡茶色透明の膜を得た。さらに、1M水酸化カリウム水溶液中に48時間浸漬させた後、脱気した純水で洗浄することにより、イオン交換基(四級アンモニウム基)の対イオンをメチル硫酸イオンから水酸化物イオンへと変換した。これにより、下記式で示される陰イオン交換樹脂BAF−QAF(IEC=1.9meq./g、水酸化物イオン型)の膜を得た。
(Quaternization reaction/film formation/ion exchange)
Anion exchange resin precursor polymer BAF-AF (0.30 g) and N,N-dimethylacetamide (1.7 mL) were added to a 50 mL round bottom three-necked flask. This mixture was stirred to form a uniform solution, methyl iodide (1.5 mL) was added, and the reaction was carried out at 40° C. for 48 hours. N,N-dimethylacetamide (2 mL) was added. The reaction solution was dropped into pure water to stop the reaction. The precipitate recovered from the mixture by filtration was washed with pure water and then vacuum dried (60° C.) overnight to obtain an anion exchange resin precursor polymer BAF-QAF (yellow solid). The obtained BAF-QAF and N,N-dimethylacetamide were added to a 20 mL round bottom three-necked flask. The mixture was stirred to make a uniform solution and then filtered. The filtrate was poured onto a glass plate with a silicone rubber edge and dried on a horizontally adjusted hot plate (40° C.). The film was vacuum dried (60° C.) overnight to obtain a light brown transparent film. Furthermore, after being immersed in a 1 M aqueous potassium hydroxide solution for 48 hours, the counter ion of the ion exchange group (quaternary ammonium group) was changed from methyl sulfate ion to hydroxide ion by washing with degassed pure water. Converted As a result, a film of anion exchange resin BAF-QAF (IEC=1.9 meq./g, hydroxide ion type) represented by the following formula was obtained.

Figure 2020117568
Figure 2020117568

〔実施例2:陰イオン交換樹脂BAF−QAF(IEC=1.3meq./g)の合成〕
上記モノマー1およびモノマー4を用いて、上記と同様の方法で、必要に応じて試薬の仕込み量を変更することにより、陰イオン交換樹脂QPAF−4(IEC=1.3meq./g)の膜を得た。
[Example 2: Synthesis of anion exchange resin BAF-QAF (IEC=1.3 meq./g)]
A membrane of an anion exchange resin QPAF-4 (IEC=1.3 meq./g) was prepared by using the monomer 1 and the monomer 4 in the same manner as described above, and changing the charged amount of the reagent as needed. Got

〔実施例3:陰イオン交換樹脂BAF−QAF(IEC=2.4meq./g)の合成〕
上記モノマー1およびモノマー4を用いて、上記と同様の方法で、必要に応じて試薬の仕込み量を変更することにより、陰イオン交換樹脂QPAF−4(IEC=2.4meq./g)の膜を得た。
[Example 3: Synthesis of anion exchange resin BAF-QAF (IEC=2.4 meq./g)]
Membrane of anion exchange resin QPAF-4 (IEC=2.4 meq./g) was prepared by using Monomer 1 and Monomer 4 in the same manner as described above, and changing the charged amount of the reagent as necessary. Got

〔比較例1:陰イオン交換樹脂QPAF−4(IEC=1.6meq./g)の合成〕
<モノマー5の合成>
窒素インレットおよび冷却管を備えた100mLの丸底三口フラスコに、1,6−ジヨードパーフルオロヘキサン(5.54g、10.0mmol)、3−クロロヨードベンゼン(11.9g、50mmol)、N,N−ジメチルスルホキシド(60mL)を加えた。この混合物を撹拌して均一溶液にした後、銅粉末(9.53g、150mmol)を加え、120℃にて48時間反応を行った。反応溶液を0.1M硝酸水溶液中に滴下し反応を停止させた。混合物中からろ過によって回収した析出物をメタノールで洗浄し、ろ液を回収した。同様の操作を繰り返し行った後、合わせたろ液に純水を加えることにより析出した白色固体をろ別回収し、純水とメタノールの混合溶液(純水/メタノール=1/1)で洗浄後、一晩真空乾燥(60℃)させることにより、下記式で示されるモノマー5(白色固体)を収率84%で得た。
[Comparative Example 1: Synthesis of anion exchange resin QPAF-4 (IEC=1.6 meq./g)]
<Synthesis of Monomer 5>
In a 100 mL round bottom three-necked flask equipped with a nitrogen inlet and a condenser, 1,6-diiodoperfluorohexane (5.54 g, 10.0 mmol), 3-chloroiodobenzene (11.9 g, 50 mmol), N, N-Dimethylsulfoxide (60 mL) was added. After stirring this mixture to make a uniform solution, copper powder (9.53 g, 150 mmol) was added, and the reaction was carried out at 120° C. for 48 hours. The reaction solution was dropped into a 0.1 M nitric acid aqueous solution to stop the reaction. The precipitate collected by filtration from the mixture was washed with methanol and the filtrate was collected. After repeating the same operation, pure water was added to the combined filtrate to collect the precipitated white solid by filtration, which was washed with a mixed solution of pure water and methanol (pure water/methanol=1/1). By vacuum drying (60° C.) overnight, a monomer 5 (white solid) represented by the following formula was obtained with a yield of 84%.

Figure 2020117568
Figure 2020117568

(重合反応)
窒素インレットおよび冷却管を備えた100mLの丸底三口フラスコに、モノマー5(1.52g、2.91mmol)、モノマー4(0.82g、1.67mmol)、2,2’−ビピリジン(1.70g、10.9mmol)、N,N−ジメチルアセトアミド(11mL)を加えた。この混合物を撹拌して均一溶液にした後、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(0)(3.00g、10.9mmol)を加え、80℃にて3時間反応させた。反応混合物をメタノールと12M塩酸の混合溶液(メタノール/12M塩酸=1/1)中に滴下し反応を停止させた。混合物中から濾過によって回収した析出物を12M塩酸、0.2M炭酸カリウム水溶液、および純水で洗浄後、一晩真空乾燥(60℃)させることにより、下記式で示される陰イオン交換樹脂前駆体ポリマーPAF−4(黄色固体)を収率96%で得た。
(Polymerization reaction)
In a 100 mL round bottom three-necked flask equipped with a nitrogen inlet and a condenser, monomer 5 (1.52 g, 2.91 mmol), monomer 4 (0.82 g, 1.67 mmol), 2,2'-bipyridine (1.70 g). 10.9 mmol) and N,N-dimethylacetamide (11 mL) were added. This mixture was stirred to form a uniform solution, bis(1,5-cyclooctadiene)nickel(0) (3.00 g, 10.9 mmol) was added, and the mixture was reacted at 80° C. for 3 hours. The reaction mixture was added dropwise to a mixed solution of methanol and 12M hydrochloric acid (methanol/12M hydrochloric acid=1/1) to stop the reaction. The precipitate recovered from the mixture by filtration is washed with 12M hydrochloric acid, a 0.2M potassium carbonate aqueous solution, and pure water, and then vacuum dried (60° C.) overnight to obtain an anion exchange resin precursor represented by the following formula. Polymer PAF-4 (yellow solid) was obtained with a yield of 96%.

Figure 2020117568
Figure 2020117568

(四級化反応・製膜・イオン交換)
50mLの丸底三口フラスコに、陰イオン交換樹脂前駆体ポリマー(1.70g)、N,N−ジメチルアセトアミド(9.6mL)を加えた。この混合物を撹拌して均一溶液にした後、ヨウ化メチル(0.45mL、7.22mmol)を加え、室温にて48時間反応を行った。N,N−ジメチルアセトアミド(10mL)を加えた反応溶液を濾過した。濾液をシリコーンゴムで縁取りされたガラス板上に流し込み、水平に調節したホットプレート(50℃)上で乾燥させた。この膜を純水(2L)中で洗浄後、一晩真空乾燥(60℃)させることにより、淡茶色透明の膜を得た。さらに、1M水酸化カリウム水溶液中に48時間浸漬させた後、脱気した純水で洗浄することにより、イオン交換基(四級アンモニウム基)の対イオンをヨウ化物イオンから水酸化物イオンへと変換した。これにより、下記式で示される陰イオン交換樹脂QPAF−4(m/n=1/0.60、IEC=1.47meq./g、水酸化物イオン型)の膜を得た。
(Quaternization reaction/film formation/ion exchange)
Anion exchange resin precursor polymer (1.70 g) and N,N-dimethylacetamide (9.6 mL) were added to a 50 mL round bottom three-necked flask. This mixture was stirred to form a uniform solution, methyl iodide (0.45 mL, 7.22 mmol) was added, and the reaction was carried out at room temperature for 48 hours. The reaction solution containing N,N-dimethylacetamide (10 mL) was filtered. The filtrate was poured onto a glass plate with a silicone rubber edge and dried on a horizontally adjusted hot plate (50° C.). This film was washed in pure water (2 L) and then vacuum dried (60° C.) overnight to obtain a light brown transparent film. Furthermore, after being immersed in a 1 M aqueous potassium hydroxide solution for 48 hours, the counter ion of the ion exchange group (quaternary ammonium group) was changed from iodide ion to hydroxide ion by washing with deaerated pure water. Converted Thus, a membrane of anion exchange resin QPAF-4 (m/n=1/0.60, IEC=1.47 meq./g, hydroxide ion type) represented by the following formula was obtained.

Figure 2020117568
Figure 2020117568

〔比較例2:陰イオン交換樹脂QPAF−4(IEC=0.74meq./g)の合成〕
上記モノマー5およびモノマー4を用いて、上記と同様の方法で、必要に応じて試薬の仕込み量を変更することにより、陰イオン交換樹脂QPAF−4(IEC=0.74meq./g)の膜を得た。
[Comparative Example 2: Synthesis of anion exchange resin QPAF-4 (IEC=0.74 meq./g)]
A film of anion exchange resin QPAF-4 (IEC=0.74 meq./g) was prepared by using the above-mentioned monomer 5 and monomer 4 and changing the charged amount of the reagent as needed in the same manner as above. Got

〔比較例3:陰イオン交換樹脂QPAF−4(IEC=1.0meq./g)の合成〕
上記モノマー5およびモノマー4を用いて、上記と同様の方法で、必要に応じて試薬の仕込み量を変更することにより、陰イオン交換樹脂QPAF−4(IEC=1.0meq./g)の膜を得た。
[Comparative Example 3: Synthesis of anion exchange resin QPAF-4 (IEC=1.0 meq./g)]
A membrane of anion exchange resin QPAF-4 (IEC=1.0 meq./g) was prepared by using the above-mentioned monomer 5 and monomer 4 in the same manner as described above, and changing the charged amount of the reagent as needed. Got

〔比較例4:陰イオン交換樹脂QPAF−4(IEC=2.1meq./g)の合成〕
上記モノマー5およびモノマー4を用いて、上記と同様の方法で、必要に応じて試薬の仕込み量を変更することにより、陰イオン交換樹脂QPAF−4(IEC=2.1meq./g)の膜を得た。
[Comparative Example 4: Synthesis of anion exchange resin QPAF-4 (IEC=2.1 meq./g)]
A membrane of anion exchange resin QPAF-4 (IEC=2.1 meq./g) was prepared by using the above-mentioned monomer 5 and monomer 4 in the same manner as described above, and changing the charged amount of the reagent as necessary. Got

<水酸化物イオン導電率>
実施例および比較例で得られた陰イオン交換樹脂の膜に対して、水酸化物イオン導電率を測定した。具体的には、実施例および比較例で得られた陰イオン交換樹脂の膜(水酸化物イオン型)を幅1cm、長さ3cmに切り出したものを測定サンプルとし、1M水酸化カリウム水溶液(80℃)に浸漬させた際の水酸化物イオン導電率を測定した。水酸化物イオン導電率測定は、1M水酸化カリウム水溶液(80℃)から取り出したサンプルを脱気した純水で洗浄した後、交流四端子法(300mV、10−100000Hz)で、30℃の水中において実施した。測定装置にはSolartolon1255B/1287を使用し、プローブにはφ1mmの金線を用いた。水酸化物イオン導電率σ(S/cm)は、次式より、プローブ間距離L(1cm)、インピーダンスZ(Ω)、膜断面積A(cm)から算出した。
σ=(L/Z)×1/A
<Conductivity of hydroxide ion>
The hydroxide ion conductivity of the anion exchange resin membranes obtained in Examples and Comparative Examples was measured. Specifically, the anion exchange resin membranes (hydroxide ion type) obtained in Examples and Comparative Examples were cut into a sample having a width of 1 cm and a length of 3 cm, which was used as a measurement sample. The hydroxide ion conductivity when immersed in (°C.) was measured. The hydroxide ion conductivity measurement was carried out by washing the sample taken out from a 1 M aqueous potassium hydroxide solution (80° C.) with degassed pure water, and then using an AC four-terminal method (300 mV, 10-100000 Hz) in water at 30° C. It was carried out in. Solartron 1255B/1287 was used as a measuring device, and a gold wire of φ1 mm was used as a probe. The hydroxide ion conductivity σ (S/cm) was calculated from the inter-probe distance L (1 cm), impedance Z (Ω), and membrane cross-sectional area A (cm 2 ) by the following formula.
σ=(L/Z)×1/A

実施例サンプルの水酸化物イオン導電率は、IECとともに向上し、最大で71mS/cmという高い値に達する(図2)。これに対して、比較例サンプルの水酸化物イオン導電率は、IECとともに増加するが、IECが1.5を越える範囲では、同程度あるいはより低い値を示す。 The hydroxide ionic conductivity of the example samples increases with IEC and reaches high values up to 71 mS/cm (Fig. 2). On the other hand, the hydroxide ion conductivity of the comparative sample increases with IEC, but shows the same or lower value in the range where IEC exceeds 1.5.

1 燃料電池
2 燃料側電極
3 酸素側電極
4 電解質膜
S 燃料電池セル
1 Fuel Cell 2 Fuel Side Electrode 3 Oxygen Side Electrode 4 Electrolyte Membrane S Fuel Cell

Claims (12)

下記式(1)で表される2価の疎水性基と、
単数の芳香環からなる、または、2価の炭化水素基、2価のケイ素含有基、2価の窒素含有基、2価のリン含有基、2価の酸素含有基、もしくは2価の硫黄含有基である連結基、および/または炭素−炭素結合を介して互いに結合する複数の芳香環からなり、前記連結基または前記芳香環のうち少なくとも1つが、陰イオン交換基含有基と結合した2価の親水性基と
からなり、
前記疎水性基単体からなる、または、前記疎水性基が、エーテル結合、チオエーテル結合、もしくは炭素−炭素結合を介して繰り返される疎水ユニットと、
前記親水性基単体からなる、または、前記親水性基が、エーテル結合、チオエーテル結合、もしくは炭素−炭素結合を介して繰り返される親水ユニットと
を有し、
前記疎水ユニットと前記親水ユニットとが、エーテル結合、チオエーテル結合、または炭素−炭素結合を介して結合している、
ことを特徴とする陰イオン交換樹脂。
Figure 2020117568
(式中、Xは、互いに同一または相異なって、ハロゲン原子、擬ハロゲン化物、または水素原子を示し、Yは、互いに同一または相異なって、酸素含有基、硫黄含有基、または直接結合を示し、Zは、互いに同一または相異なって、炭素原子またはケイ素原子を示し、Rは、互いに同一または相異なって、芳香族基または直接結合を示し、h、h’、h’’、i、i’、およびi’’は、互いに同一または相異なって、0以上の整数を示し、h’’’およびi’’’は、1以上の整数を示す。)
A divalent hydrophobic group represented by the following formula (1),
Consisting of a single aromatic ring or a divalent hydrocarbon group, a divalent silicon-containing group, a divalent nitrogen-containing group, a divalent phosphorus-containing group, a divalent oxygen-containing group, or a divalent sulfur-containing group. A divalent group consisting of a linking group which is a group, and/or a plurality of aromatic rings bonded to each other via a carbon-carbon bond, wherein at least one of the linking group and the aromatic ring is bonded to an anion exchange group-containing group. Consisting of a hydrophilic group of
A hydrophobic unit consisting of the hydrophobic group alone, or the hydrophobic group is repeated through an ether bond, a thioether bond, or a carbon-carbon bond,
Consisting of the hydrophilic group alone, or the hydrophilic group has a hydrophilic unit which is repeated via an ether bond, a thioether bond, or a carbon-carbon bond,
The hydrophobic unit and the hydrophilic unit are bonded via an ether bond, a thioether bond, or a carbon-carbon bond,
Anion exchange resin characterized in that.
Figure 2020117568
(In the formula, X is the same or different from each other and represents a halogen atom, a pseudohalide, or a hydrogen atom, and Y is the same or different from each other and represents an oxygen-containing group, a sulfur-containing group, or a direct bond. , Z are the same or different from each other and represent a carbon atom or a silicon atom, R are the same or different from each other and represent an aromatic group or a direct bond, and h, h′, h″, i, i "And i" are the same or different from each other and represent an integer of 0 or more, and h'" and i'" represent an integer of 1 or more.)
前記式(1)において、Xは、互いに同一または相異なって、ハロゲン原子または擬ハロゲン化物を示し、Rは、互いに同一または相異なって、芳香族基を示す、
ことを特徴とする請求項1に記載の陰イオン交換樹脂。
In the formula (1), Xs are the same or different from each other and represent a halogen atom or a pseudohalide, and Rs are the same or different from each other and represent an aromatic group.
The anion exchange resin according to claim 1, characterized in that
前記2価の疎水性基が、下記式(1a)で表される、
ことを特徴とする請求項2に記載の陰イオン交換樹脂。
Figure 2020117568
The divalent hydrophobic group is represented by the following formula (1a),
The anion exchange resin according to claim 2, wherein
Figure 2020117568
前記2価の親水性基が、単数の多環式化合物からなる、または、2価の炭化水素基、2価のケイ素含有基、2価の窒素含有基、2価のリン含有基、2価の酸素含有基、もしくは2価の硫黄含有基である連結基、および/または炭素−炭素結合を介して互いに結合する複数の多環式化合物からなり、前記連結基または前記多環式化合物のうち少なくとも1つが、炭素数2以上の2価の飽和炭化水素基を介して陰イオン交換基と結合している、
ことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の陰イオン交換樹脂。
The divalent hydrophilic group is composed of a single polycyclic compound, or is a divalent hydrocarbon group, a divalent silicon-containing group, a divalent nitrogen-containing group, a divalent phosphorus-containing group, or a divalent phosphorus-containing group. Oxygen-containing group, or a linking group which is a divalent sulfur-containing group, and/or a plurality of polycyclic compounds bonded to each other via a carbon-carbon bond, and among the linking group or the polycyclic compound, At least one is bonded to an anion exchange group via a divalent saturated hydrocarbon group having 2 or more carbon atoms,
The anion exchange resin according to any one of claims 1 to 3, wherein
前記2価の親水性基が、下記式(2)で表されるフルオレン残基である、
ことを特徴とする請求項4に記載の陰イオン交換樹脂。
Figure 2020117568
(式中、Aは、互いに同一または相異なって、陰イオン交換基含有基を示すか、または陰イオン交換基を含有する環状構造を示す。)
The divalent hydrophilic group is a fluorene residue represented by the following formula (2):
The anion exchange resin according to claim 4, characterized in that
Figure 2020117568
(In the formula, A's are the same as or different from each other and each represents an anion-exchange group-containing group, or a cyclic structure containing an anion-exchange group.)
請求項1ないし5のいずれか1項に記載の陰イオン交換樹脂を含む、
ことを特徴とする電解質膜。
An anion exchange resin according to any one of claims 1 to 5,
An electrolyte membrane characterized by the above.
請求項1ないし5のいずれか1項に記載の陰イオン交換樹脂を含む、
ことを特徴とする電極触媒層形成用バインダー。
An anion exchange resin according to any one of claims 1 to 5,
A binder for forming an electrode catalyst layer, which is characterized in that:
請求項7に記載の電極触媒層形成用バインダーを含む、
ことを特徴とする電池電極触媒層。
The binder for forming an electrode catalyst layer according to claim 7,
A battery electrode catalyst layer characterized by the above.
請求項1ないし5のいずれか1項に記載の陰イオン交換樹脂を含む電解質膜と、
前記電解質膜を挟んで対向配置され、含水素燃料が供給される燃料側電極、および、酸素または空気が供給される酸素側電極と、を備えた、
ことを特徴とする燃料電池。
An electrolyte membrane containing the anion exchange resin according to any one of claims 1 to 5,
A fuel-side electrode, which is arranged opposite to each other with the electrolyte membrane sandwiched therebetween, to which a hydrogen-containing fuel is supplied, and an oxygen-side electrode to which oxygen or air is supplied,
A fuel cell characterized by the above.
前記含水素燃料が、水素、アルコール、またはヒドラジン類である、
ことを特徴とする請求項9に記載の燃料電池。
The hydrogen-containing fuel is hydrogen, alcohol, or hydrazines,
The fuel cell according to claim 9, wherein the fuel cell is a fuel cell.
電解質膜と、
前記電解質膜を挟んで対向配置され、含水素燃料が供給される燃料側電極、および、酸素または空気が供給される酸素側電極と、を備え、
前記燃料側電極および/または前記酸素側電極が、請求項8に記載の電池電極触媒層を含む、
ことを特徴とする燃料電池。
An electrolyte membrane,
The fuel-side electrode, which is arranged to face each other with the electrolyte membrane interposed therebetween, to which the hydrogen-containing fuel is supplied, and the oxygen-side electrode which is supplied with oxygen or air,
The fuel-side electrode and/or the oxygen-side electrode includes the cell electrode catalyst layer according to claim 8.
A fuel cell characterized by the above.
前記含水素燃料が、水素、アルコール、またはヒドラジン類である、
ことを特徴とする請求項11に記載の燃料電池。
The hydrogen-containing fuel is hydrogen, alcohol, or hydrazines,
The fuel cell according to claim 11, wherein the fuel cell is a fuel cell.
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